Theorem dchrisum0fmul 27834

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 2760	. . 3 ⊢ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} = {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}
5		eqid 2760	. . 3 ⊢ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} = {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}
6		eqid 2760	. . 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 3640	. . . . . 6 ⊢ (𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} → 𝑗 ∈ ℕ)
14	13	nnzd 12720	. . . . 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 27573	. . 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 3640	. . . . . 6 ⊢ (𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} → 𝑘 ∈ ℕ)
19	18	nnzd 12720	. . . . 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 27573	. . 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 27574	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))) = ((𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · (𝑋‘(𝐿‘𝑘))))
27	26	eqcomd 2766	. . . 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 6890	. . 3 ⊢ (𝑖 = (𝑗 · 𝑘) → (𝑋‘(𝐿‘𝑖)) = (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))))
30	1, 2, 3, 4, 5, 6, 16, 21, 28, 29	fsumdvdsmul 27523	. 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 27833	. . . 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 27833	. . . 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 7438	. 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 12392	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐴 · 𝐵) ∈ ℕ)
40	8, 10, 31, 7, 9, 32, 33	dchrisum0fval 27833	. . 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 2806	1 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘(𝐴 · 𝐵)) = ((𝐹‘𝐴) · (𝐹‘𝐵)))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   = wceq 1569   ∈ wcel 2144  {crab 3412   class class class wbr 5102   ↦ cmpt 5185  ‘cfv 6538  (class class class)co 7420  1c1 11202   · cmul 11206  ℕcn 12336  ℤcz 12694  Σcsu 15854   ∥ cdvds 16423   gcd cgcd 16665  Basecbs 17388  0_gc0g 17611  ℤRHomczrh 21806  ℤ/nℤczn 21809  DChrcdchr 27560

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-rep 5231  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5326  ax-pr 5390  ax-un 7751  ax-inf2 9643  ax-cnex 11257  ax-resscn 11258  ax-1cn 11259  ax-icn 11260  ax-addcl 11261  ax-addrcl 11262  ax-mulcl 11263  ax-mulrcl 11264  ax-mulcom 11265  ax-addass 11266  ax-mulass 11267  ax-distr 11268  ax-i2m1 11269  ax-1ne0 11270  ax-1rid 11271  ax-rnegex 11272  ax-rrecex 11273  ax-cnre 11274  ax-pre-lttri 11275  ax-pre-lttrn 11276  ax-pre-ltadd 11277  ax-pre-mulgt0 11278  ax-pre-sup 11279  ax-addf 11280  ax-mulf 11281

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3365  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3739  df-csb 3847  df-ss 3896  df-pss 4014  df-dif 4047  df-in 4091  df-un 4151  df-nul 4279  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4584  df-pr 4586  df-tp 4588  df-op 4590  df-uni 4867  df-int 4907  df-iun 4952  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-tr 5212  df-id 5545  df-eprel 5550  df-po 5558  df-so 5559  df-fr 5603  df-se 5604  df-we 5605  df-xp 5656  df-rel 5657  df-cnv 5658  df-co 5659  df-dm 5660  df-rn 5661  df-res 5662  df-ima 5663  df-pred 6304  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6494  df-fun 6540  df-fn 6541  df-f 6542  df-f1 6543  df-fo 6544  df-f1o 6545  df-fv 6546  df-isom 6547  df-riota 7377  df-ov 7423  df-oprab 7424  df-mpo 7425  df-om 7878  df-1st 8001  df-2nd 8002  df-tpos 8244  df-frecs 8300  df-wrecs 8331  df-recs 8380  df-rdg 8419  df-1o 8477  df-er 8718  df-ec 8720  df-qs 8724  df-map 8850  df-en 8975  df-dom 8976  df-sdom 8977  df-fin 8978  df-sup 9435  df-inf 9436  df-oi 9505  df-card 10021  df-pnf 11346  df-mnf 11347  df-xr 11348  df-ltxr 11349  df-le 11350  df-sub 11544  df-neg 11545  df-div 11975  df-nn 12337  df-2 12406  df-3 12407  df-4 12408  df-5 12409  df-6 12410  df-7 12411  df-8 12412  df-9 12413  df-n0 12608  df-z 12695  df-dec 12816  df-uz 12967  df-rp 13122  df-fz 13641  df-fzo 13790  df-fl 13933  df-mod 14011  df-seq 14146  df-exp 14206  df-hash 14476  df-cj 15267  df-re 15268  df-im 15269  df-sqrt 15403  df-abs 15404  df-clim 15656  df-sum 15855  df-dvds 16424  df-gcd 16666  df-struct 17326  df-sets 17343  df-slot 17361  df-ndx 17373  df-base 17389  df-ress 17410  df-plusg 17442  df-mulr 17443  df-starv 17444  df-sca 17445  df-vsca 17446  df-ip 17447  df-tset 17448  df-ple 17449  df-ds 17451  df-unif 17452  df-0g 17613  df-imas 17681  df-qus 17682  df-mgm 18817  df-sgrp 18909  df-mnd 18925  df-mhm 18979  df-grp 19148  df-minusg 19149  df-sbg 19150  df-mulg 19279  df-subg 19334  df-nsg 19335  df-eqg 19336  df-ghm 19429  df-cmn 19997  df-abl 19998  df-mgp 20362  df-rng 20376  df-ur 20409  df-ring 20462  df-cring 20463  df-oppr 20568  df-dvdsr 20588  df-unit 20589  df-rhm 20703  df-subrng 20799  df-subrg 20823  df-lmod 21138  df-lss 21208  df-lsp 21248  df-sra 21449  df-rgmod 21450  df-lidl 21487  df-rsp 21488  df-2idl 21544  df-cnfld 21680  df-zring 21754  df-zrh 21810  df-zn 21813  df-dchr 27561

This theorem is used by:  dchrisum0flblem2  27837