Theorem cvgratnn 12091

Description: Ratio test for convergence of a complex infinite series. If the ratio 𝐴 of the absolute values of successive terms in an infinite sequence 𝐹 is less than 1 for all terms, then the infinite sum of the terms of 𝐹 converges to a complex number. Although this theorem is similar to cvgratz 12092 and cvgratgt0 12093, the decision to index starting at one is not merely cosmetic, as proving convergence using climcvg1n 11910 is sensitive to how a sequence is indexed. (Contributed by NM, 26-Apr-2005.) (Revised by Jim Kingdon, 12-Nov-2022.)

Hypotheses

Ref	Expression
cvgratnn.3	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℝ)
cvgratnn.4	⊢ (𝜑 → 𝐴 < 1)
cvgratnn.gt0	⊢ (𝜑 → 0 < 𝐴)
cvgratnn.6	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑘) ∈ ℂ)
cvgratnn.7	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (abs‘(𝐹‘(𝑘 + 1))) ≤ (𝐴 · (abs‘(𝐹‘𝑘))))

Assertion

Ref	Expression
cvgratnn	⊢ (𝜑 → seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ )

Distinct variable groups:   𝐴,𝑘   𝑘,𝐹   𝜑,𝑘

Proof of Theorem cvgratnn

Dummy variables 𝑛 𝑚 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nnuz 9791	. . 3 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
2		1zzd 9505	. . 3 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℤ)
3		cvgratnn.6	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑘) ∈ ℂ)
4	1, 2, 3	serf 10744	. 2 ⊢ (𝜑 → seq1( + , 𝐹):ℕ⟶ℂ)
5		cvgratnn.3	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℝ)
6		cvgratnn.gt0	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 0 < 𝐴)
7	5, 6	elrpd 9927	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℝ+)
8	7	rprecred 9942	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (1 / 𝐴) ∈ ℝ)
9		1red 8193	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℝ)
10	8, 9	resubcld 8559	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((1 / 𝐴) − 1) ∈ ℝ)
11		cvgratnn.4	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐴 < 1)
12	7	reclt1d 9944	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝐴 < 1 ↔ 1 < (1 / 𝐴)))
13	11, 12	mpbid 147	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 1 < (1 / 𝐴))
14	9, 8	posdifd 8711	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (1 < (1 / 𝐴) ↔ 0 < ((1 / 𝐴) − 1)))
15	13, 14	mpbid 147	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 0 < ((1 / 𝐴) − 1))
16	10, 15	elrpd 9927	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ((1 / 𝐴) − 1) ∈ ℝ+)
17	16	rpreccld 9941	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1 / ((1 / 𝐴) − 1)) ∈ ℝ+)
18	17, 7	rpdivcld 9948	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) ∈ ℝ+)
19		fveq2 5639	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 = 1 → (𝐹‘𝑘) = (𝐹‘1))
20	19	eleq1d 2300	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 = 1 → ((𝐹‘𝑘) ∈ ℂ ↔ (𝐹‘1) ∈ ℂ))
21	3	ralrimiva 2605	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ∀𝑘 ∈ ℕ (𝐹‘𝑘) ∈ ℂ)
22		1nn 9153	. . . . . . . 8 ⊢ 1 ∈ ℕ
23	22	a1i 9	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℕ)
24	20, 21, 23	rspcdva 2915	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘1) ∈ ℂ)
25	24	abscld 11741	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (abs‘(𝐹‘1)) ∈ ℝ)
26	24	absge0d 11744	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 0 ≤ (abs‘(𝐹‘1)))
27	25, 26	ge0p1rpd 9961	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((abs‘(𝐹‘1)) + 1) ∈ ℝ+)
28	18, 27	rpmulcld 9947	. . 3 ⊢ (𝜑 → (((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) · ((abs‘(𝐹‘1)) + 1)) ∈ ℝ+)
29	9, 5	resubcld 8559	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1 − 𝐴) ∈ ℝ)
30	5, 9	posdifd 8711	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐴 < 1 ↔ 0 < (1 − 𝐴)))
31	11, 30	mpbid 147	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 0 < (1 − 𝐴))
32	29, 31	elrpd 9927	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (1 − 𝐴) ∈ ℝ+)
33	7, 32	rpdivcld 9948	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐴 / (1 − 𝐴)) ∈ ℝ+)
34	28, 33	rpmulcld 9947	. 2 ⊢ (𝜑 → ((((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) · ((abs‘(𝐹‘1)) + 1)) · (𝐴 / (1 − 𝐴))) ∈ ℝ+)
35	5	adantr 276	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 𝐴 ∈ ℝ)
36	11	adantr 276	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 𝐴 < 1)
37	6	adantr 276	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 0 < 𝐴)
38	3	adantlr 477	. . . 4 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑘) ∈ ℂ)
39		cvgratnn.7	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (abs‘(𝐹‘(𝑘 + 1))) ≤ (𝐴 · (abs‘(𝐹‘𝑘))))
40	39	adantlr 477	. . . 4 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (abs‘(𝐹‘(𝑘 + 1))) ≤ (𝐴 · (abs‘(𝐹‘𝑘))))
41		simprl 531	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 𝑚 ∈ ℕ)
42		simprr 533	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))
43	35, 36, 37, 38, 40, 41, 42	cvgratnnlemrate 12090	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚))) → (abs‘((seq1( + , 𝐹)‘𝑛) − (seq1( + , 𝐹)‘𝑚))) < (((((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) · ((abs‘(𝐹‘1)) + 1)) · (𝐴 / (1 − 𝐴))) / 𝑚))
44	43	ralrimivva 2614	. 2 ⊢ (𝜑 → ∀𝑚 ∈ ℕ ∀𝑛 ∈ (ℤ≥‘𝑚)(abs‘((seq1( + , 𝐹)‘𝑛) − (seq1( + , 𝐹)‘𝑚))) < (((((1 / ((1 / 𝐴) − 1)) / 𝐴) · ((abs‘(𝐹‘1)) + 1)) · (𝐴 / (1 − 𝐴))) / 𝑚))
45	4, 34, 44	climcvg1n 11910	1 ⊢ (𝜑 → seq1( + , 𝐹) ∈ dom ⇝ )

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 104   = wceq 1397   ∈ wcel 2202   class class class wbr 4088  dom cdm 4725  ‘cfv 5326  (class class class)co 6017  ℂcc 8029  ℝcr 8030  0cc0 8031  1c1 8032   + caddc 8034   · cmul 8036   < clt 8213   ≤ cle 8214   − cmin 8349   / cdiv 8851  ℕcn 9142  ℤ_≥cuz 9754  seqcseq 10708  abscabs 11557   ⇝ cli 11838

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 619  ax-in2 620  ax-io 716  ax-5 1495  ax-7 1496  ax-gen 1497  ax-ie1 1541  ax-ie2 1542  ax-8 1552  ax-10 1553  ax-11 1554  ax-i12 1555  ax-bndl 1557  ax-4 1558  ax-17 1574  ax-i9 1578  ax-ial 1582  ax-i5r 1583  ax-13 2204  ax-14 2205  ax-ext 2213  ax-coll 4204  ax-sep 4207  ax-nul 4215  ax-pow 4264  ax-pr 4299  ax-un 4530  ax-setind 4635  ax-iinf 4686  ax-cnex 8122  ax-resscn 8123  ax-1cn 8124  ax-1re 8125  ax-icn 8126  ax-addcl 8127  ax-addrcl 8128  ax-mulcl 8129  ax-mulrcl 8130  ax-addcom 8131  ax-mulcom 8132  ax-addass 8133  ax-mulass 8134  ax-distr 8135  ax-i2m1 8136  ax-0lt1 8137  ax-1rid 8138  ax-0id 8139  ax-rnegex 8140  ax-precex 8141  ax-cnre 8142  ax-pre-ltirr 8143  ax-pre-ltwlin 8144  ax-pre-lttrn 8145  ax-pre-apti 8146  ax-pre-ltadd 8147  ax-pre-mulgt0 8148  ax-pre-mulext 8149  ax-arch 8150  ax-caucvg 8151

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-dc 842  df-3or 1005  df-3an 1006  df-tru 1400  df-fal 1403  df-nf 1509  df-sb 1811  df-eu 2082  df-mo 2083  df-clab 2218  df-cleq 2224  df-clel 2227  df-nfc 2363  df-ne 2403  df-nel 2498  df-ral 2515  df-rex 2516  df-reu 2517  df-rmo 2518  df-rab 2519  df-v 2804  df-sbc 3032  df-csb 3128  df-dif 3202  df-un 3204  df-in 3206  df-ss 3213  df-nul 3495  df-if 3606  df-pw 3654  df-sn 3675  df-pr 3676  df-op 3678  df-uni 3894  df-int 3929  df-iun 3972  df-br 4089  df-opab 4151  df-mpt 4152  df-tr 4188  df-id 4390  df-po 4393  df-iso 4394  df-iord 4463  df-on 4465  df-ilim 4466  df-suc 4468  df-iom 4689  df-xp 4731  df-rel 4732  df-cnv 4733  df-co 4734  df-dm 4735  df-rn 4736  df-res 4737  df-ima 4738  df-iota 5286  df-fun 5328  df-fn 5329  df-f 5330  df-f1 5331  df-fo 5332  df-f1o 5333  df-fv 5334  df-isom 5335  df-riota 5970  df-ov 6020  df-oprab 6021  df-mpo 6022  df-1st 6302  df-2nd 6303  df-recs 6470  df-irdg 6535  df-frec 6556  df-1o 6581  df-oadd 6585  df-er 6701  df-en 6909  df-dom 6910  df-fin 6911  df-pnf 8215  df-mnf 8216  df-xr 8217  df-ltxr 8218  df-le 8219  df-sub 8351  df-neg 8352  df-reap 8754  df-ap 8761  df-div 8852  df-inn 9143  df-2 9201  df-3 9202  df-4 9203  df-n0 9402  df-z 9479  df-uz 9755  df-q 9853  df-rp 9888  df-ico 10128  df-fz 10243  df-fzo 10377  df-seqfrec 10709  df-exp 10800  df-ihash 11037  df-cj 11402  df-re 11403  df-im 11404  df-rsqrt 11558  df-abs 11559  df-clim 11839  df-sumdc 11914

This theorem is referenced by:  cvgratz  12092