Theorem dchrisum0fmul 27863

Description: The function 𝐹, the divisor sum of a Dirichlet character, is a multiplicative function (but not completely multiplicative). Equation 9.4.27 of [Shapiro], p. 382. (Contributed by Mario Carneiro, 5-May-2016.)

Hypotheses

Ref	Expression
rpvmasum.z	⊢ 𝑍 = (ℤ/nℤ‘𝑁)
rpvmasum.l	⊢ 𝐿 = (ℤRHom‘𝑍)
rpvmasum.a	⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
rpvmasum2.g	⊢ 𝐺 = (DChr‘𝑁)
rpvmasum2.d	⊢ 𝐷 = (Base‘𝐺)
rpvmasum2.1	⊢ 1 = (0g‘𝐺)
dchrisum0f.f	⊢ 𝐹 = (𝑏 ∈ ℕ ↦ Σ𝑣 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝑏} (𝑋‘(𝐿‘𝑣)))
dchrisum0f.x	⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ 𝐷)
dchrisum0fmul.a	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℕ)
dchrisum0fmul.b	⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ ℕ)
dchrisum0fmul.m	⊢ (𝜑 → (𝐴 gcd 𝐵) = 1)

Assertion

Ref	Expression
dchrisum0fmul	⊢ (𝜑 → (𝐹‘(𝐴 · 𝐵)) = ((𝐹‘𝐴) · (𝐹‘𝐵)))

Distinct variable groups:   𝑞,𝑏,𝑣,𝐴   𝑁,𝑞   𝐵,𝑏,𝑞,𝑣   𝐿,𝑏,𝑣   𝑋,𝑏,𝑣

Allowed substitution hints:   𝜑(𝑣, 𝑞, 𝑏)   𝐷(𝑣, 𝑞, 𝑏)   1 (𝑣, 𝑞, 𝑏)   𝐹(𝑣, 𝑞, 𝑏)   𝐺(𝑣, 𝑞, 𝑏)   𝐿(𝑞)   𝑁(𝑣, 𝑏)   𝑋(𝑞)   𝑍(𝑣, 𝑞, 𝑏)

Proof of Theorem dchrisum0fmul

Dummy variables 𝑘 𝑖 𝑗 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		dchrisum0fmul.a	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℕ)
2		dchrisum0fmul.b	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ ℕ)
3		dchrisum0fmul.m	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐴 gcd 𝐵) = 1)
4		eqid 2763	. . 3 ⊢ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} = {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}
5		eqid 2763	. . 3 ⊢ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} = {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}
6		eqid 2763	. . 3 ⊢ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ (𝐴 · 𝐵)} = {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ (𝐴 · 𝐵)}
7		rpvmasum2.g	. . . 4 ⊢ 𝐺 = (DChr‘𝑁)
8		rpvmasum.z	. . . 4 ⊢ 𝑍 = (ℤ/nℤ‘𝑁)
9		rpvmasum2.d	. . . 4 ⊢ 𝐷 = (Base‘𝐺)
10		rpvmasum.l	. . . 4 ⊢ 𝐿 = (ℤRHom‘𝑍)
11		dchrisum0f.x	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ 𝐷)
12	11	adantr 486	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}) → 𝑋 ∈ 𝐷)
13		elrabi 3644	. . . . . 6 ⊢ (𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} → 𝑗 ∈ ℕ)
14	13	nnzd 12746	. . . . 5 ⊢ (𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} → 𝑗 ∈ ℤ)
15	14	adantl 487	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}) → 𝑗 ∈ ℤ)
16	7, 8, 9, 10, 12, 15	dchrzrhcl 27602	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}) → (𝑋‘(𝐿‘𝑗)) ∈ ℂ)
17	11	adantr 486	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}) → 𝑋 ∈ 𝐷)
18		elrabi 3644	. . . . . 6 ⊢ (𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} → 𝑘 ∈ ℕ)
19	18	nnzd 12746	. . . . 5 ⊢ (𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} → 𝑘 ∈ ℤ)
20	19	adantl 487	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}) → 𝑘 ∈ ℤ)
21	7, 8, 9, 10, 17, 20	dchrzrhcl 27602	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}) → (𝑋‘(𝐿‘𝑘)) ∈ ℂ)
22	14, 19	anim12i 625	. . . 4 ⊢ ((𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}) → (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ))
23	11	adantr 486	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → 𝑋 ∈ 𝐷)
24		simprl 783	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → 𝑗 ∈ ℤ)
25		simprr 785	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → 𝑘 ∈ ℤ)
26	7, 8, 9, 10, 23, 24, 25	dchrzrhmul 27603	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))) = ((𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · (𝑋‘(𝐿‘𝑘))))
27	26	eqcomd 2769	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → ((𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · (𝑋‘(𝐿‘𝑘))) = (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))))
28	22, 27	sylan2 605	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵})) → ((𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · (𝑋‘(𝐿‘𝑘))) = (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))))
29		2fveq3 6913	. . 3 ⊢ (𝑖 = (𝑗 · 𝑘) → (𝑋‘(𝐿‘𝑖)) = (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))))
30	1, 2, 3, 4, 5, 6, 16, 21, 28, 29	fsumdvdsmul 27552	. 2 ⊢ (𝜑 → (Σ𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} (𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · Σ𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} (𝑋‘(𝐿‘𝑘))) = Σ𝑖 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ (𝐴 · 𝐵)} (𝑋‘(𝐿‘𝑖)))
31		rpvmasum.a	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
32		rpvmasum2.1	. . . . 5 ⊢ 1 = (0g‘𝐺)
33		dchrisum0f.f	. . . . 5 ⊢ 𝐹 = (𝑏 ∈ ℕ ↦ Σ𝑣 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝑏} (𝑋‘(𝐿‘𝑣)))
34	8, 10, 31, 7, 9, 32, 33	dchrisum0fval 27862	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℕ → (𝐹‘𝐴) = Σ𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} (𝑋‘(𝐿‘𝑗)))
35	1, 34	syl 18	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝐴) = Σ𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} (𝑋‘(𝐿‘𝑗)))
36	8, 10, 31, 7, 9, 32, 33	dchrisum0fval 27862	. . . 4 ⊢ (𝐵 ∈ ℕ → (𝐹‘𝐵) = Σ𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} (𝑋‘(𝐿‘𝑘)))
37	2, 36	syl 18	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝐵) = Σ𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} (𝑋‘(𝐿‘𝑘)))
38	35, 37	oveq12d 7461	. 2 ⊢ (𝜑 → ((𝐹‘𝐴) · (𝐹‘𝐵)) = (Σ𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} (𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · Σ𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} (𝑋‘(𝐿‘𝑘))))
39	1, 2	nnmulcld 12418	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐴 · 𝐵) ∈ ℕ)
40	8, 10, 31, 7, 9, 32, 33	dchrisum0fval 27862	. . 3 ⊢ ((𝐴 · 𝐵) ∈ ℕ → (𝐹‘(𝐴 · 𝐵)) = Σ𝑖 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ (𝐴 · 𝐵)} (𝑋‘(𝐿‘𝑖)))
41	39, 40	syl 18	. 2 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘(𝐴 · 𝐵)) = Σ𝑖 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ (𝐴 · 𝐵)} (𝑋‘(𝐿‘𝑖)))
42	30, 38, 41	3eqtr4rd 2809	1 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘(𝐴 · 𝐵)) = ((𝐹‘𝐴) · (𝐹‘𝐵)))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   = wceq 1570   ∈ wcel 2147  {crab 3416   class class class wbr 5106   ↦ cmpt 5189  ‘cfv 6558  (class class class)co 7443  1c1 11228   · cmul 11232  ℕcn 12362  ℤcz 12720  Σcsu 15882   ∥ cdvds 16451   gcd cgcd 16693  Basecbs 17416  0_gc0g 17639  ℤRHomczrh 21835  ℤ/nℤczn 21838  DChrcdchr 27589

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1945  ax-6 2002  ax-7 2043  ax-8 2149  ax-9 2157  ax-10 2180  ax-11 2197  ax-12 2216  ax-ext 2735  ax-rep 5235  ax-sep 5252  ax-nul 5263  ax-pow 5331  ax-pr 5395  ax-un 7775  ax-inf2 9669  ax-cnex 11283  ax-resscn 11284  ax-1cn 11285  ax-icn 11286  ax-addcl 11287  ax-addrcl 11288  ax-mulcl 11289  ax-mulrcl 11290  ax-mulcom 11291  ax-addass 11292  ax-mulass 11293  ax-distr 11294  ax-i2m1 11295  ax-1ne0 11296  ax-1rid 11297  ax-rnegex 11298  ax-rrecex 11299  ax-cnre 11300  ax-pre-lttri 11301  ax-pre-lttrn 11302  ax-pre-ltadd 11303  ax-pre-mulgt0 11304  ax-pre-sup 11305  ax-addf 11306  ax-mulf 11307

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2102  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2839  df-nfc 2913  df-ne 2960  df-nel 3066  df-ral 3081  df-rex 3091  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3456  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-ss 3901  df-pss 4017  df-dif 4050  df-in 4094  df-un 4154  df-nul 4282  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4589  df-pr 4591  df-tp 4593  df-op 4839  df-uni 4871  df-int 4911  df-iun 4956  df-br 5107  df-opab 5171  df-mpt 5190  df-tr 5216  df-id 5550  df-eprel 5555  df-po 5563  df-so 5564  df-fr 5608  df-se 5609  df-we 5610  df-xp 5661  df-rel 5662  df-cnv 5663  df-co 5664  df-dm 5665  df-rn 5666  df-res 5667  df-ima 5668  df-pred 6322  df-ord 6383  df-on 6384  df-lim 6385  df-suc 6386  df-iota 6512  df-fun 6560  df-fn 6561  df-f 6562  df-f1 6563  df-fo 6564  df-f1o 6565  df-fv 6566  df-isom 6567  df-riota 7400  df-ov 7446  df-oprab 7447  df-mpo 7448  df-om 7902  df-1st 8025  df-2nd 8026  df-tpos 8271  df-frecs 8327  df-wrecs 8358  df-recs 8407  df-rdg 8446  df-1o 8504  df-er 8745  df-ec 8747  df-qs 8751  df-map 8877  df-en 9002  df-dom 9003  df-sdom 9004  df-fin 9005  df-sup 9461  df-inf 9462  df-oi 9531  df-card 10047  df-pnf 11372  df-mnf 11373  df-xr 11374  df-ltxr 11375  df-le 11376  df-sub 11570  df-neg 11571  df-div 12001  df-nn 12363  df-2 12432  df-3 12433  df-4 12434  df-5 12435  df-6 12436  df-7 12437  df-8 12438  df-9 12439  df-n0 12634  df-z 12721  df-dec 12842  df-uz 12993  df-rp 13148  df-fz 13667  df-fzo 13816  df-fl 13959  df-mod 14037  df-seq 14172  df-exp 14232  df-hash 14502  df-cj 15295  df-re 15296  df-im 15297  df-sqrt 15431  df-abs 15432  df-clim 15684  df-sum 15883  df-dvds 16452  df-gcd 16694  df-struct 17354  df-sets 17371  df-slot 17389  df-ndx 17401  df-base 17417  df-ress 17438  df-plusg 17470  df-mulr 17471  df-starv 17472  df-sca 17473  df-vsca 17474  df-ip 17475  df-tset 17476  df-ple 17477  df-ds 17479  df-unif 17480  df-0g 17641  df-imas 17709  df-qus 17710  df-mgm 18845  df-sgrp 18937  df-mnd 18953  df-mhm 19007  df-grp 19176  df-minusg 19177  df-sbg 19178  df-mulg 19307  df-subg 19362  df-nsg 19363  df-eqg 19364  df-ghm 19457  df-cmn 20026  df-abl 20027  df-mgp 20391  df-rng 20405  df-ur 20438  df-ring 20491  df-cring 20492  df-oppr 20597  df-dvdsr 20617  df-unit 20618  df-rhm 20732  df-subrng 20828  df-subrg 20852  df-lmod 21167  df-lss 21237  df-lsp 21277  df-sra 21478  df-rgmod 21479  df-lidl 21516  df-rsp 21517  df-2idl 21573  df-cnfld 21709  df-zring 21783  df-zrh 21839  df-zn 21842  df-dchr 27590

This theorem is used by:  dchrisum0flblem2  27866