Theorem circlemethnat 34619

Description: The Hardy, Littlewood and Ramanujan Circle Method, Chapter 5.1 of [Nathanson] p. 123. This expresses 𝑅, the number of different ways a nonnegative integer 𝑁 can be represented as the sum of at most 𝑆 integers in the set 𝐴 as an integral of Vinogradov trigonometric sums. (Contributed by Thierry Arnoux, 13-Dec-2021.)

Hypotheses

Ref	Expression
circlemethnat.r	⊢ 𝑅 = (♯‘(𝐴(repr‘𝑆)𝑁))
circlemethnat.f	⊢ 𝐹 = ((((𝟭‘ℕ)‘𝐴)vts𝑁)‘𝑥)
circlemethnat.n	⊢ 𝑁 ∈ ℕ0
circlemethnat.a	⊢ 𝐴 ⊆ ℕ
circlemethnat.s	⊢ 𝑆 ∈ ℕ

Assertion

Ref	Expression
circlemethnat	⊢ 𝑅 = ∫(0(,)1)((𝐹↑𝑆) · (exp‘((i · (2 · π)) · (-𝑁 · 𝑥)))) d𝑥

Distinct variable groups:   𝑥,𝐴   𝑥,𝑁   𝑥,𝑆

Allowed substitution hints:   𝑅(𝑥)   𝐹(𝑥)

Proof of Theorem circlemethnat

Dummy variables 𝑎 𝑐 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		circlemethnat.r	. . . 4 ⊢ 𝑅 = (♯‘(𝐴(repr‘𝑆)𝑁))
2		nnex 12244	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ℕ ∈ V
3		circlemethnat.a	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 𝐴 ⊆ ℕ
4		indf 32778	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((ℕ ∈ V ∧ 𝐴 ⊆ ℕ) → ((𝟭‘ℕ)‘𝐴):ℕ⟶{0, 1})
5	2, 3, 4	mp2an 692	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝟭‘ℕ)‘𝐴):ℕ⟶{0, 1}
6		pr01ssre 32749	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ {0, 1} ⊆ ℝ
7		ax-resscn 11184	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ℝ ⊆ ℂ
8	6, 7	sstri 3968	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ {0, 1} ⊆ ℂ
9		fss 6721	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((((𝟭‘ℕ)‘𝐴):ℕ⟶{0, 1} ∧ {0, 1} ⊆ ℂ) → ((𝟭‘ℕ)‘𝐴):ℕ⟶ℂ)
10	5, 8, 9	mp2an 692	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝟭‘ℕ)‘𝐴):ℕ⟶ℂ
11		cnex 11208	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ℂ ∈ V
12	11, 2	elmap 8883	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝟭‘ℕ)‘𝐴) ∈ (ℂ ↑m ℕ) ↔ ((𝟭‘ℕ)‘𝐴):ℕ⟶ℂ)
13	10, 12	mpbir 231	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝟭‘ℕ)‘𝐴) ∈ (ℂ ↑m ℕ)
14	13	elexi 3482	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝟭‘ℕ)‘𝐴) ∈ V
15	14	fvconst2 7195	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑎 ∈ (0..^𝑆) → (((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎) = ((𝟭‘ℕ)‘𝐴))
16	15	adantl 481	. . . . . . . 8 ⊢ (((⊤ ∧ 𝑐 ∈ (ℕ(repr‘𝑆)𝑁)) ∧ 𝑎 ∈ (0..^𝑆)) → (((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎) = ((𝟭‘ℕ)‘𝐴))
17	16	fveq1d 6877	. . . . . . 7 ⊢ (((⊤ ∧ 𝑐 ∈ (ℕ(repr‘𝑆)𝑁)) ∧ 𝑎 ∈ (0..^𝑆)) → ((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)‘(𝑐‘𝑎)) = (((𝟭‘ℕ)‘𝐴)‘(𝑐‘𝑎)))
18	17	prodeq2dv 15936	. . . . . 6 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑐 ∈ (ℕ(repr‘𝑆)𝑁)) → ∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)‘(𝑐‘𝑎)) = ∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)(((𝟭‘ℕ)‘𝐴)‘(𝑐‘𝑎)))
19	18	sumeq2dv 15716	. . . . 5 ⊢ (⊤ → Σ𝑐 ∈ (ℕ(repr‘𝑆)𝑁)∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)‘(𝑐‘𝑎)) = Σ𝑐 ∈ (ℕ(repr‘𝑆)𝑁)∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)(((𝟭‘ℕ)‘𝐴)‘(𝑐‘𝑎)))
20	3	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (⊤ → 𝐴 ⊆ ℕ)
21		circlemethnat.n	. . . . . . 7 ⊢ 𝑁 ∈ ℕ0
22	21	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (⊤ → 𝑁 ∈ ℕ0)
23		circlemethnat.s	. . . . . . . 8 ⊢ 𝑆 ∈ ℕ
24	23	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ (⊤ → 𝑆 ∈ ℕ)
25	24	nnnn0d 12560	. . . . . 6 ⊢ (⊤ → 𝑆 ∈ ℕ0)
26	20, 22, 25	hashrepr 34603	. . . . 5 ⊢ (⊤ → (♯‘(𝐴(repr‘𝑆)𝑁)) = Σ𝑐 ∈ (ℕ(repr‘𝑆)𝑁)∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)(((𝟭‘ℕ)‘𝐴)‘(𝑐‘𝑎)))
27	19, 26	eqtr4d 2773	. . . 4 ⊢ (⊤ → Σ𝑐 ∈ (ℕ(repr‘𝑆)𝑁)∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)‘(𝑐‘𝑎)) = (♯‘(𝐴(repr‘𝑆)𝑁)))
28	1, 27	eqtr4id 2789	. . 3 ⊢ (⊤ → 𝑅 = Σ𝑐 ∈ (ℕ(repr‘𝑆)𝑁)∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)‘(𝑐‘𝑎)))
29	13	fconst6 6767	. . . . 5 ⊢ ((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)}):(0..^𝑆)⟶(ℂ ↑m ℕ)
30	29	a1i 11	. . . 4 ⊢ (⊤ → ((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)}):(0..^𝑆)⟶(ℂ ↑m ℕ))
31	22, 24, 30	circlemeth 34618	. . 3 ⊢ (⊤ → Σ𝑐 ∈ (ℕ(repr‘𝑆)𝑁)∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)‘(𝑐‘𝑎)) = ∫(0(,)1)(∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)(((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)vts𝑁)‘𝑥) · (exp‘((i · (2 · π)) · (-𝑁 · 𝑥)))) d𝑥)
32		fzofi 13990	. . . . . . . 8 ⊢ (0..^𝑆) ∈ Fin
33	32	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → (0..^𝑆) ∈ Fin)
34		circlemethnat.f	. . . . . . . 8 ⊢ 𝐹 = ((((𝟭‘ℕ)‘𝐴)vts𝑁)‘𝑥)
35	21	a1i 11	. . . . . . . . 9 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → 𝑁 ∈ ℕ0)
36		ioossre 13422	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (0(,)1) ⊆ ℝ
37	36, 7	sstri 3968	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (0(,)1) ⊆ ℂ
38	37	a1i 11	. . . . . . . . . 10 ⊢ (⊤ → (0(,)1) ⊆ ℂ)
39	38	sselda 3958	. . . . . . . . 9 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → 𝑥 ∈ ℂ)
40	10	a1i 11	. . . . . . . . 9 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → ((𝟭‘ℕ)‘𝐴):ℕ⟶ℂ)
41	35, 39, 40	vtscl 34616	. . . . . . . 8 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → ((((𝟭‘ℕ)‘𝐴)vts𝑁)‘𝑥) ∈ ℂ)
42	34, 41	eqeltrid 2838	. . . . . . 7 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → 𝐹 ∈ ℂ)
43		fprodconst 15992	. . . . . . 7 ⊢ (((0..^𝑆) ∈ Fin ∧ 𝐹 ∈ ℂ) → ∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)𝐹 = (𝐹↑(♯‘(0..^𝑆))))
44	33, 42, 43	syl2anc 584	. . . . . 6 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → ∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)𝐹 = (𝐹↑(♯‘(0..^𝑆))))
45	15	adantl 481	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) ∧ 𝑎 ∈ (0..^𝑆)) → (((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎) = ((𝟭‘ℕ)‘𝐴))
46	45	oveq1d 7418	. . . . . . . . 9 ⊢ (((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) ∧ 𝑎 ∈ (0..^𝑆)) → ((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)vts𝑁) = (((𝟭‘ℕ)‘𝐴)vts𝑁))
47	46	fveq1d 6877	. . . . . . . 8 ⊢ (((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) ∧ 𝑎 ∈ (0..^𝑆)) → (((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)vts𝑁)‘𝑥) = ((((𝟭‘ℕ)‘𝐴)vts𝑁)‘𝑥))
48	34, 47	eqtr4id 2789	. . . . . . 7 ⊢ (((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) ∧ 𝑎 ∈ (0..^𝑆)) → 𝐹 = (((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)vts𝑁)‘𝑥))
49	48	prodeq2dv 15936	. . . . . 6 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → ∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)𝐹 = ∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)(((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)vts𝑁)‘𝑥))
50	25	adantr 480	. . . . . . . 8 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → 𝑆 ∈ ℕ0)
51		hashfzo0 14446	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑆 ∈ ℕ0 → (♯‘(0..^𝑆)) = 𝑆)
52	50, 51	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → (♯‘(0..^𝑆)) = 𝑆)
53	52	oveq2d 7419	. . . . . 6 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → (𝐹↑(♯‘(0..^𝑆))) = (𝐹↑𝑆))
54	44, 49, 53	3eqtr3d 2778	. . . . 5 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → ∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)(((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)vts𝑁)‘𝑥) = (𝐹↑𝑆))
55	54	oveq1d 7418	. . . 4 ⊢ ((⊤ ∧ 𝑥 ∈ (0(,)1)) → (∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)(((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)vts𝑁)‘𝑥) · (exp‘((i · (2 · π)) · (-𝑁 · 𝑥)))) = ((𝐹↑𝑆) · (exp‘((i · (2 · π)) · (-𝑁 · 𝑥)))))
56	55	itgeq2dv 25733	. . 3 ⊢ (⊤ → ∫(0(,)1)(∏𝑎 ∈ (0..^𝑆)(((((0..^𝑆) × {((𝟭‘ℕ)‘𝐴)})‘𝑎)vts𝑁)‘𝑥) · (exp‘((i · (2 · π)) · (-𝑁 · 𝑥)))) d𝑥 = ∫(0(,)1)((𝐹↑𝑆) · (exp‘((i · (2 · π)) · (-𝑁 · 𝑥)))) d𝑥)
57	28, 31, 56	3eqtrd 2774	. 2 ⊢ (⊤ → 𝑅 = ∫(0(,)1)((𝐹↑𝑆) · (exp‘((i · (2 · π)) · (-𝑁 · 𝑥)))) d𝑥)
58	57	mptru 1547	1 ⊢ 𝑅 = ∫(0(,)1)((𝐹↑𝑆) · (exp‘((i · (2 · π)) · (-𝑁 · 𝑥)))) d𝑥

Syntax hints:   ∧ wa 395   = wceq 1540  ⊤wtru 1541   ∈ wcel 2108  Vcvv 3459   ⊆ wss 3926  {csn 4601  {cpr 4603   × cxp 5652  ⟶wf 6526  ‘cfv 6530  (class class class)co 7403   ↑_m cmap 8838  Fincfn 8957  ℂcc 11125  ℝcr 11126  0cc0 11127  1c1 11128  ici 11129   · cmul 11132  -cneg 11465  ℕcn 12238  2c2 12293  ℕ₀cn0 12499  (,)cioo 13360  ..^cfzo 13669  ↑cexp 14077  ♯chash 14346  Σcsu 15700  ∏cprod 15917  expce 16075  πcpi 16080  ∫citg 25569  𝟭cind 32773  reprcrepr 34586  vtscvts 34613

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1795  ax-4 1809  ax-5 1910  ax-6 1967  ax-7 2007  ax-8 2110  ax-9 2118  ax-10 2141  ax-11 2157  ax-12 2177  ax-ext 2707  ax-rep 5249  ax-sep 5266  ax-nul 5276  ax-pow 5335  ax-pr 5402  ax-un 7727  ax-inf2 9653  ax-cc 10447  ax-cnex 11183  ax-resscn 11184  ax-1cn 11185  ax-icn 11186  ax-addcl 11187  ax-addrcl 11188  ax-mulcl 11189  ax-mulrcl 11190  ax-mulcom 11191  ax-addass 11192  ax-mulass 11193  ax-distr 11194  ax-i2m1 11195  ax-1ne0 11196  ax-1rid 11197  ax-rnegex 11198  ax-rrecex 11199  ax-cnre 11200  ax-pre-lttri 11201  ax-pre-lttrn 11202  ax-pre-ltadd 11203  ax-pre-mulgt0 11204  ax-pre-sup 11205  ax-addf 11206

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2065  df-mo 2539  df-eu 2568  df-clab 2714  df-cleq 2727  df-clel 2809  df-nfc 2885  df-ne 2933  df-nel 3037  df-ral 3052  df-rex 3061  df-rmo 3359  df-reu 3360  df-rab 3416  df-v 3461  df-sbc 3766  df-csb 3875  df-dif 3929  df-un 3931  df-in 3933  df-ss 3943  df-pss 3946  df-symdif 4228  df-nul 4309  df-if 4501  df-pw 4577  df-sn 4602  df-pr 4604  df-tp 4606  df-op 4608  df-uni 4884  df-int 4923  df-iun 4969  df-iin 4970  df-disj 5087  df-br 5120  df-opab 5182  df-mpt 5202  df-tr 5230  df-id 5548  df-eprel 5553  df-po 5561  df-so 5562  df-fr 5606  df-se 5607  df-we 5608  df-xp 5660  df-rel 5661  df-cnv 5662  df-co 5663  df-dm 5664  df-rn 5665  df-res 5666  df-ima 5667  df-pred 6290  df-ord 6355  df-on 6356  df-lim 6357  df-suc 6358  df-iota 6483  df-fun 6532  df-fn 6533  df-f 6534  df-f1 6535  df-fo 6536  df-f1o 6537  df-fv 6538  df-isom 6539  df-riota 7360  df-ov 7406  df-oprab 7407  df-mpo 7408  df-of 7669  df-ofr 7670  df-om 7860  df-1st 7986  df-2nd 7987  df-supp 8158  df-frecs 8278  df-wrecs 8309  df-recs 8383  df-rdg 8422  df-1o 8478  df-2o 8479  df-oadd 8482  df-omul 8483  df-er 8717  df-map 8840  df-pm 8841  df-ixp 8910  df-en 8958  df-dom 8959  df-sdom 8960  df-fin 8961  df-fsupp 9372  df-fi 9421  df-sup 9452  df-inf 9453  df-oi 9522  df-dju 9913  df-card 9951  df-acn 9954  df-pnf 11269  df-mnf 11270  df-xr 11271  df-ltxr 11272  df-le 11273  df-sub 11466  df-neg 11467  df-div 11893  df-nn 12239  df-2 12301  df-3 12302  df-4 12303  df-5 12304  df-6 12305  df-7 12306  df-8 12307  df-9 12308  df-n0 12500  df-z 12587  df-dec 12707  df-uz 12851  df-q 12963  df-rp 13007  df-xneg 13126  df-xadd 13127  df-xmul 13128  df-ioo 13364  df-ioc 13365  df-ico 13366  df-icc 13367  df-fz 13523  df-fzo 13670  df-fl 13807  df-mod 13885  df-seq 14018  df-exp 14078  df-fac 14290  df-bc 14319  df-hash 14347  df-shft 15084  df-cj 15116  df-re 15117  df-im 15118  df-sqrt 15252  df-abs 15253  df-limsup 15485  df-clim 15502  df-rlim 15503  df-sum 15701  df-prod 15918  df-ef 16081  df-sin 16083  df-cos 16084  df-pi 16086  df-struct 17164  df-sets 17181  df-slot 17199  df-ndx 17211  df-base 17227  df-ress 17250  df-plusg 17282  df-mulr 17283  df-starv 17284  df-sca 17285  df-vsca 17286  df-ip 17287  df-tset 17288  df-ple 17289  df-ds 17291  df-unif 17292  df-hom 17293  df-cco 17294  df-rest 17434  df-topn 17435  df-0g 17453  df-gsum 17454  df-topgen 17455  df-pt 17456  df-prds 17459  df-xrs 17514  df-qtop 17519  df-imas 17520  df-xps 17522  df-mre 17596  df-mrc 17597  df-acs 17599  df-mgm 18616  df-sgrp 18695  df-mnd 18711  df-submnd 18760  df-mulg 19049  df-cntz 19298  df-cmn 19761  df-psmet 21305  df-xmet 21306  df-met 21307  df-bl 21308  df-mopn 21309  df-fbas 21310  df-fg 21311  df-cnfld 21314  df-top 22830  df-topon 22847  df-topsp 22869  df-bases 22882  df-cld 22955  df-ntr 22956  df-cls 22957  df-nei 23034  df-lp 23072  df-perf 23073  df-cn 23163  df-cnp 23164  df-haus 23251  df-cmp 23323  df-tx 23498  df-hmeo 23691  df-fil 23782  df-fm 23874  df-flim 23875  df-flf 23876  df-xms 24257  df-ms 24258  df-tms 24259  df-cncf 24820  df-ovol 25415  df-vol 25416  df-mbf 25570  df-itg1 25571  df-itg2 25572  df-ibl 25573  df-itg 25574  df-0p 25621  df-limc 25817  df-dv 25818  df-ind 32774  df-repr 34587  df-vts 34614

This theorem is referenced by: (None)