Theorem dchrisum0fmul 27743

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 2762	. . 3 ⊢ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} = {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}
5		eqid 2762	. . 3 ⊢ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} = {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}
6		eqid 2762	. . 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 12644	. . . . 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 27482	. . 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 12644	. . . . 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 27482	. . 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 27483	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))) = ((𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · (𝑋‘(𝐿‘𝑘))))
27	26	eqcomd 2768	. . . 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 6887	. . 3 ⊢ (𝑖 = (𝑗 · 𝑘) → (𝑋‘(𝐿‘𝑖)) = (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))))
30	1, 2, 3, 4, 5, 6, 16, 21, 28, 29	fsumdvdsmul 27432	. 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 27742	. . . 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 27742	. . . 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 7434	. 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 12316	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐴 · 𝐵) ∈ ℕ)
40	8, 10, 31, 7, 9, 32, 33	dchrisum0fval 27742	. . 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 2808	1 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘(𝐴 · 𝐵)) = ((𝐹‘𝐴) · (𝐹‘𝐵)))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   = wceq 1570   ∈ wcel 2145  {crab 3414   class class class wbr 5107   ↦ cmpt 5190  ‘cfv 6537  (class class class)co 7416  1c1 11128   · cmul 11132  ℕcn 12260  ℤcz 12618  Σcsu 15775   ∥ cdvds 16346   gcd cgcd 16588  Basecbs 17305  0_gc0g 17528  ℤRHomczrh 21716  ℤ/nℤczn 21719  DChrcdchr 27469

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 1943  ax-6 2000  ax-7 2041  ax-8 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2215  ax-ext 2734  ax-rep 5236  ax-sep 5255  ax-nul 5267  ax-pow 5334  ax-pr 5402  ax-un 7739  ax-inf2 9623  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  ax-mulf 11207

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 2100  df-mo 2566  df-eu 2596  df-clab 2741  df-cleq 2754  df-clel 2837  df-nfc 2911  df-ne 2958  df-nel 3064  df-ral 3079  df-rex 3089  df-rmo 3367  df-reu 3368  df-rab 3415  df-v 3455  df-sbc 3743  df-csb 3851  df-dif 3905  df-un 3907  df-in 3909  df-ss 3919  df-pss 3922  df-nul 4283  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4588  df-pr 4590  df-tp 4592  df-op 4594  df-uni 4871  df-int 4911  df-iun 4956  df-br 5108  df-opab 5172  df-mpt 5191  df-tr 5217  df-id 5554  df-eprel 5559  df-po 5567  df-so 5568  df-fr 5612  df-se 5613  df-we 5614  df-xp 5665  df-rel 5666  df-cnv 5667  df-co 5668  df-dm 5669  df-rn 5670  df-res 5671  df-ima 5672  df-pred 6303  df-ord 6364  df-on 6365  df-lim 6366  df-suc 6367  df-iota 6493  df-fun 6539  df-fn 6540  df-f 6541  df-f1 6542  df-fo 6543  df-f1o 6544  df-fv 6545  df-isom 6546  df-riota 7373  df-ov 7419  df-oprab 7420  df-mpo 7421  df-om 7866  df-1st 7989  df-2nd 7990  df-tpos 8227  df-frecs 8283  df-wrecs 8314  df-recs 8363  df-rdg 8402  df-1o 8458  df-er 8699  df-ec 8701  df-qs 8705  df-map 8831  df-en 8956  df-dom 8957  df-sdom 8958  df-fin 8959  df-sup 9415  df-inf 9416  df-oi 9485  df-card 9947  df-pnf 11272  df-mnf 11273  df-xr 11274  df-ltxr 11275  df-le 11276  df-sub 11470  df-neg 11471  df-div 11899  df-nn 12261  df-2 12330  df-3 12331  df-4 12332  df-5 12333  df-6 12334  df-7 12335  df-8 12336  df-9 12337  df-n0 12532  df-z 12619  df-dec 12740  df-uz 12891  df-rp 13045  df-fz 13564  df-fzo 13712  df-fl 13855  df-mod 13933  df-seq 14068  df-exp 14128  df-hash 14397  df-cj 15188  df-re 15189  df-im 15190  df-sqrt 15324  df-abs 15325  df-clim 15577  df-sum 15776  df-dvds 16347  df-gcd 16589  df-struct 17243  df-sets 17260  df-slot 17278  df-ndx 17290  df-base 17306  df-ress 17327  df-plusg 17359  df-mulr 17360  df-starv 17361  df-sca 17362  df-vsca 17363  df-ip 17364  df-tset 17365  df-ple 17366  df-ds 17368  df-unif 17369  df-0g 17530  df-imas 17598  df-qus 17599  df-mgm 18734  df-sgrp 18825  df-mnd 18841  df-mhm 18895  df-grp 19064  df-minusg 19065  df-sbg 19066  df-mulg 19195  df-subg 19250  df-nsg 19251  df-eqg 19252  df-ghm 19345  df-cmn 19913  df-abl 19914  df-mgp 20278  df-rng 20292  df-ur 20325  df-ring 20378  df-cring 20379  df-oppr 20482  df-dvdsr 20502  df-unit 20503  df-rhm 20617  df-subrng 20712  df-subrg 20736  df-lmod 21050  df-lss 21120  df-lsp 21160  df-sra 21361  df-rgmod 21362  df-lidl 21399  df-rsp 21400  df-2idl 21456  df-cnfld 21590  df-zring 21664  df-zrh 21720  df-zn 21723  df-dchr 27470

This theorem is used by:  dchrisum0flblem2  27746