Theorem geosergap 12256

Description: The value of the finite geometric series 𝐴↑𝑀 + 𝐴↑(𝑀 + 1) +... + 𝐴↑(𝑁 − 1). (Contributed by Mario Carneiro, 2-May-2016.) (Revised by Jim Kingdon, 24-Oct-2022.)

Hypotheses

Ref	Expression
geoserg.1	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℂ)
geosergap.2	⊢ (𝜑 → 𝐴 # 1)
geoserg.3	⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ0)
geoserg.4	⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ (ℤ≥‘𝑀))

Assertion

Ref	Expression
geosergap	⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)(𝐴↑𝑘) = (((𝐴↑𝑀) − (𝐴↑𝑁)) / (1 − 𝐴)))

Distinct variable groups:   𝐴,𝑘   𝑘,𝑀   𝑘,𝑁   𝜑,𝑘

Proof of Theorem geosergap

Dummy variable 𝑗 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		geoserg.3	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ0)
2	1	nn0zd 9749	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℤ)
3		geoserg.4	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ (ℤ≥‘𝑀))
4		eluzelz 9914	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ (ℤ≥‘𝑀) → 𝑁 ∈ ℤ)
5	3, 4	syl 14	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℤ)
6		fzofig 10852	. . . . . 6 ⊢ ((𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) → (𝑀..^𝑁) ∈ Fin)
7	2, 5, 6	syl2anc 415	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑀..^𝑁) ∈ Fin)
8		ax-1cn 8266	. . . . . 6 ⊢ 1 ∈ ℂ
9		geoserg.1	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℂ)
10		subcl 8519	. . . . . 6 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ) → (1 − 𝐴) ∈ ℂ)
11	8, 9, 10	sylancr 418	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1 − 𝐴) ∈ ℂ)
12	9	adantr 276	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → 𝐴 ∈ ℂ)
13		elfzouz 10541	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁) → 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑀))
14		eluznn0 9982	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑀 ∈ ℕ0 ∧ 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑀)) → 𝑘 ∈ ℕ0)
15	1, 13, 14	syl2an 289	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → 𝑘 ∈ ℕ0)
16	12, 15	expcld 11094	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → (𝐴↑𝑘) ∈ ℂ)
17	7, 11, 16	fsummulc1 12199	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)(𝐴↑𝑘) · (1 − 𝐴)) = Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)((𝐴↑𝑘) · (1 − 𝐴)))
18		1cnd 8336	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → 1 ∈ ℂ)
19	16, 18, 12	subdid 8735	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → ((𝐴↑𝑘) · (1 − 𝐴)) = (((𝐴↑𝑘) · 1) − ((𝐴↑𝑘) · 𝐴)))
20	16	mulridd 8337	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → ((𝐴↑𝑘) · 1) = (𝐴↑𝑘))
21	12, 15	expp1d 11095	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → (𝐴↑(𝑘 + 1)) = ((𝐴↑𝑘) · 𝐴))
22	21	eqcomd 2244	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → ((𝐴↑𝑘) · 𝐴) = (𝐴↑(𝑘 + 1)))
23	20, 22	oveq12d 6097	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → (((𝐴↑𝑘) · 1) − ((𝐴↑𝑘) · 𝐴)) = ((𝐴↑𝑘) − (𝐴↑(𝑘 + 1))))
24	19, 23	eqtrd 2271	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)) → ((𝐴↑𝑘) · (1 − 𝐴)) = ((𝐴↑𝑘) − (𝐴↑(𝑘 + 1))))
25	24	sumeq2dv 12117	. . . 4 ⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)((𝐴↑𝑘) · (1 − 𝐴)) = Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)((𝐴↑𝑘) − (𝐴↑(𝑘 + 1))))
26		oveq2 6087	. . . . 5 ⊢ (𝑗 = 𝑘 → (𝐴↑𝑗) = (𝐴↑𝑘))
27		oveq2 6087	. . . . 5 ⊢ (𝑗 = (𝑘 + 1) → (𝐴↑𝑗) = (𝐴↑(𝑘 + 1)))
28		oveq2 6087	. . . . 5 ⊢ (𝑗 = 𝑀 → (𝐴↑𝑗) = (𝐴↑𝑀))
29		oveq2 6087	. . . . 5 ⊢ (𝑗 = 𝑁 → (𝐴↑𝑗) = (𝐴↑𝑁))
30	9	adantr 276	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ (𝑀...𝑁)) → 𝐴 ∈ ℂ)
31		elfzuz 10407	. . . . . . 7 ⊢ (𝑗 ∈ (𝑀...𝑁) → 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑀))
32		eluznn0 9982	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑀 ∈ ℕ0 ∧ 𝑗 ∈ (ℤ≥‘𝑀)) → 𝑗 ∈ ℕ0)
33	1, 31, 32	syl2an 289	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ (𝑀...𝑁)) → 𝑗 ∈ ℕ0)
34	30, 33	expcld 11094	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ (𝑀...𝑁)) → (𝐴↑𝑗) ∈ ℂ)
35	26, 27, 28, 29, 3, 34	telfsumo 12216	. . . 4 ⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)((𝐴↑𝑘) − (𝐴↑(𝑘 + 1))) = ((𝐴↑𝑀) − (𝐴↑𝑁)))
36	17, 25, 35	3eqtrrd 2276	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((𝐴↑𝑀) − (𝐴↑𝑁)) = (Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)(𝐴↑𝑘) · (1 − 𝐴)))
37	9, 1	expcld 11094	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐴↑𝑀) ∈ ℂ)
38		eluznn0 9982	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑀 ∈ ℕ0 ∧ 𝑁 ∈ (ℤ≥‘𝑀)) → 𝑁 ∈ ℕ0)
39	1, 3, 38	syl2anc 415	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0)
40	9, 39	expcld 11094	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐴↑𝑁) ∈ ℂ)
41	37, 40	subcld 8631	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((𝐴↑𝑀) − (𝐴↑𝑁)) ∈ ℂ)
42	7, 16	fsumcl 12150	. . . 4 ⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)(𝐴↑𝑘) ∈ ℂ)
43		geosergap.2	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐴 # 1)
44		1cnd 8336	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℂ)
45		apneg 8933	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → (𝐴 # 1 ↔ -𝐴 # -1))
46	9, 44, 45	syl2anc 415	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝐴 # 1 ↔ -𝐴 # -1))
47	43, 46	mpbid 147	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → -𝐴 # -1)
48	9	negcld 8618	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → -𝐴 ∈ ℂ)
49	44	negcld 8618	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → -1 ∈ ℂ)
50		apadd2 8931	. . . . . . 7 ⊢ ((-𝐴 ∈ ℂ ∧ -1 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → (-𝐴 # -1 ↔ (1 + -𝐴) # (1 + -1)))
51	48, 49, 44, 50	syl3anc 1278	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (-𝐴 # -1 ↔ (1 + -𝐴) # (1 + -1)))
52	47, 51	mpbid 147	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1 + -𝐴) # (1 + -1))
53	44, 9	negsubd 8637	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1 + -𝐴) = (1 − 𝐴))
54		1pneg1e0 9398	. . . . . 6 ⊢ (1 + -1) = 0
55	54	a1i 9	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1 + -1) = 0)
56	52, 53, 55	3brtr3d 4159	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (1 − 𝐴) # 0)
57	41, 42, 11, 56	divmulap3d 9149	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((((𝐴↑𝑀) − (𝐴↑𝑁)) / (1 − 𝐴)) = Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)(𝐴↑𝑘) ↔ ((𝐴↑𝑀) − (𝐴↑𝑁)) = (Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)(𝐴↑𝑘) · (1 − 𝐴))))
58	36, 57	mpbird 167	. 2 ⊢ (𝜑 → (((𝐴↑𝑀) − (𝐴↑𝑁)) / (1 − 𝐴)) = Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)(𝐴↑𝑘))
59	58	eqcomd 2244	1 ⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ (𝑀..^𝑁)(𝐴↑𝑘) = (((𝐴↑𝑀) − (𝐴↑𝑁)) / (1 − 𝐴)))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 104   ↔ wb 105   = wceq 1402   ∈ wcel 2209   class class class wbr 4128  ‘cfv 5375  (class class class)co 6079  Fincfn 7016  ℂcc 8171  0cc0 8173  1c1 8174   + caddc 8176   · cmul 8178   − cmin 8491  -cneg 8492   # cap 8903   / cdiv 8996  ℕ₀cn0 9546  ℤcz 9627  ℤ_≥cuz 9904  ...cfz 10394  ..^cfzo 10532  ↑cexp 10958  Σcsu 12102

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 623  ax-in2 624  ax-io 721  ax-5 1500  ax-7 1501  ax-gen 1502  ax-ie1 1546  ax-ie2 1547  ax-8 1557  ax-10 1558  ax-11 1559  ax-i12 1560  ax-bndl 1562  ax-4 1563  ax-17 1579  ax-i9 1583  ax-ial 1587  ax-i5r 1588  ax-14 2212  ax-ext 2220  ax-coll 4244  ax-sep 4247  ax-nul 4257  ax-pow 4309  ax-pr 4344  ax-un 4576  ax-setind 4682  ax-iinf 4733  ax-cnex 8264  ax-resscn 8265  ax-1cn 8266  ax-1re 8267  ax-icn 8268  ax-addcl 8269  ax-addrcl 8270  ax-mulcl 8271  ax-mulrcl 8272  ax-addcom 8273  ax-mulcom 8274  ax-addass 8275  ax-mulass 8276  ax-distr 8277  ax-i2m1 8278  ax-0lt1 8279  ax-1rid 8280  ax-0id 8281  ax-rnegex 8282  ax-precex 8283  ax-cnre 8284  ax-pre-ltirr 8285  ax-pre-ltwlin 8286  ax-pre-lttrn 8287  ax-pre-apti 8288  ax-pre-ltadd 8289  ax-pre-mulgt0 8290  ax-pre-mulext 8291  ax-arch 8292  ax-caucvg 8293

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-dc 847  df-3or 1010  df-3an 1011  df-tru 1405  df-fal 1408  df-nf 1514  df-sb 1816  df-eu 2089  df-mo 2090  df-clab 2225  df-cleq 2231  df-clel 2234  df-nfc 2381  df-ne 2421  df-nel 2516  df-ral 2533  df-rex 2534  df-reu 2535  df-rmo 2536  df-rab 2537  df-v 2823  df-sbc 3052  df-csb 3148  df-dif 3222  df-un 3224  df-in 3226  df-ss 3233  df-nul 3521  df-if 3639  df-pw 3690  df-sn 3714  df-pr 3715  df-op 3717  df-uni 3934  df-int 3969  df-iun 4012  df-br 4129  df-opab 4191  df-mpt 4192  df-tr 4228  df-id 4436  df-po 4439  df-iso 4440  df-iord 4509  df-on 4511  df-ilim 4512  df-suc 4514  df-iom 4736  df-xp 4778  df-rel 4779  df-cnv 4780  df-co 4781  df-dm 4782  df-rn 4783  df-res 4784  df-ima 4785  df-iota 5335  df-fun 5377  df-fn 5378  df-f 5379  df-f1 5380  df-fo 5381  df-f1o 5382  df-fv 5383  df-isom 5384  df-riota 6032  df-ov 6082  df-oprab 6083  df-mpo 6084  df-1st 6368  df-2nd 6369  df-recs 6570  df-irdg 6635  df-frec 6656  df-1o 6681  df-oadd 6685  df-er 6801  df-en 7017  df-dom 7018  df-fin 7019  df-pnf 8356  df-mnf 8357  df-xr 8358  df-ltxr 8359  df-le 8360  df-sub 8493  df-neg 8494  df-reap 8897  df-ap 8904  df-div 8997  df-inn 9288  df-2 9346  df-3 9347  df-4 9348  df-n0 9547  df-z 9628  df-uz 9905  df-q 10003  df-rp 10038  df-fz 10395  df-fzo 10533  df-seqfrec 10868  df-exp 10959  df-ihash 11198  df-cj 11590  df-re 11591  df-im 11592  df-rsqrt 11747  df-abs 11748  df-clim 12028  df-sumdc 12103

This theorem is referenced by:  geoserap  12257  cvgratnnlemsumlt  12278  cvgcmp2nlemabs  17055