Theorem dchrisum0fmul 27426

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 2727	. . 3 ⊢ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} = {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}
5		eqid 2727	. . 3 ⊢ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} = {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}
6		eqid 2727	. . 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 480	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}) → 𝑋 ∈ 𝐷)
13		elrabi 3674	. . . . . 6 ⊢ (𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} → 𝑗 ∈ ℕ)
14	13	nnzd 12607	. . . . 5 ⊢ (𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} → 𝑗 ∈ ℤ)
15	14	adantl 481	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}) → 𝑗 ∈ ℤ)
16	7, 8, 9, 10, 12, 15	dchrzrhcl 27165	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴}) → (𝑋‘(𝐿‘𝑗)) ∈ ℂ)
17	11	adantr 480	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}) → 𝑋 ∈ 𝐷)
18		elrabi 3674	. . . . . 6 ⊢ (𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} → 𝑘 ∈ ℕ)
19	18	nnzd 12607	. . . . 5 ⊢ (𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} → 𝑘 ∈ ℤ)
20	19	adantl 481	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}) → 𝑘 ∈ ℤ)
21	7, 8, 9, 10, 17, 20	dchrzrhcl 27165	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}) → (𝑋‘(𝐿‘𝑘)) ∈ ℂ)
22	14, 19	anim12i 612	. . . 4 ⊢ ((𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵}) → (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ))
23	11	adantr 480	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → 𝑋 ∈ 𝐷)
24		simprl 770	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → 𝑗 ∈ ℤ)
25		simprr 772	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → 𝑘 ∈ ℤ)
26	7, 8, 9, 10, 23, 24, 25	dchrzrhmul 27166	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))) = ((𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · (𝑋‘(𝐿‘𝑘))))
27	26	eqcomd 2733	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℤ)) → ((𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · (𝑋‘(𝐿‘𝑘))) = (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))))
28	22, 27	sylan2 592	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} ∧ 𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵})) → ((𝑋‘(𝐿‘𝑗)) · (𝑋‘(𝐿‘𝑘))) = (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))))
29		2fveq3 6896	. . 3 ⊢ (𝑖 = (𝑗 · 𝑘) → (𝑋‘(𝐿‘𝑖)) = (𝑋‘(𝐿‘(𝑗 · 𝑘))))
30	1, 2, 3, 4, 5, 6, 16, 21, 28, 29	fsumdvdsmul 27114	. 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 27425	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℕ → (𝐹‘𝐴) = Σ𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} (𝑋‘(𝐿‘𝑗)))
35	1, 34	syl 17	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝐴) = Σ𝑗 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐴} (𝑋‘(𝐿‘𝑗)))
36	8, 10, 31, 7, 9, 32, 33	dchrisum0fval 27425	. . . 4 ⊢ (𝐵 ∈ ℕ → (𝐹‘𝐵) = Σ𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} (𝑋‘(𝐿‘𝑘)))
37	2, 36	syl 17	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝐵) = Σ𝑘 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ 𝐵} (𝑋‘(𝐿‘𝑘)))
38	35, 37	oveq12d 7432	. 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 12287	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐴 · 𝐵) ∈ ℕ)
40	8, 10, 31, 7, 9, 32, 33	dchrisum0fval 27425	. . 3 ⊢ ((𝐴 · 𝐵) ∈ ℕ → (𝐹‘(𝐴 · 𝐵)) = Σ𝑖 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ (𝐴 · 𝐵)} (𝑋‘(𝐿‘𝑖)))
41	39, 40	syl 17	. 2 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘(𝐴 · 𝐵)) = Σ𝑖 ∈ {𝑞 ∈ ℕ ∣ 𝑞 ∥ (𝐴 · 𝐵)} (𝑋‘(𝐿‘𝑖)))
42	30, 38, 41	3eqtr4rd 2778	1 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘(𝐴 · 𝐵)) = ((𝐹‘𝐴) · (𝐹‘𝐵)))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 395   = wceq 1534   ∈ wcel 2099  {crab 3427   class class class wbr 5142   ↦ cmpt 5225  ‘cfv 6542  (class class class)co 7414  1c1 11131   · cmul 11135  ℕcn 12234  ℤcz 12580  Σcsu 15656   ∥ cdvds 16222   gcd cgcd 16460  Basecbs 17171  0_gc0g 17412  ℤRHomczrh 21412  ℤ/nℤczn 21415  DChrcdchr 27152

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1790  ax-4 1804  ax-5 1906  ax-6 1964  ax-7 2004  ax-8 2101  ax-9 2109  ax-10 2130  ax-11 2147  ax-12 2164  ax-ext 2698  ax-rep 5279  ax-sep 5293  ax-nul 5300  ax-pow 5359  ax-pr 5423  ax-un 7734  ax-inf2 9656  ax-cnex 11186  ax-resscn 11187  ax-1cn 11188  ax-icn 11189  ax-addcl 11190  ax-addrcl 11191  ax-mulcl 11192  ax-mulrcl 11193  ax-mulcom 11194  ax-addass 11195  ax-mulass 11196  ax-distr 11197  ax-i2m1 11198  ax-1ne0 11199  ax-1rid 11200  ax-rnegex 11201  ax-rrecex 11202  ax-cnre 11203  ax-pre-lttri 11204  ax-pre-lttrn 11205  ax-pre-ltadd 11206  ax-pre-mulgt0 11207  ax-pre-sup 11208  ax-addf 11209  ax-mulf 11210

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 396  df-or 847  df-3or 1086  df-3an 1087  df-tru 1537  df-fal 1547  df-ex 1775  df-nf 1779  df-sb 2061  df-mo 2529  df-eu 2558  df-clab 2705  df-cleq 2719  df-clel 2805  df-nfc 2880  df-ne 2936  df-nel 3042  df-ral 3057  df-rex 3066  df-rmo 3371  df-reu 3372  df-rab 3428  df-v 3471  df-sbc 3775  df-csb 3890  df-dif 3947  df-un 3949  df-in 3951  df-ss 3961  df-pss 3963  df-nul 4319  df-if 4525  df-pw 4600  df-sn 4625  df-pr 4627  df-tp 4629  df-op 4631  df-uni 4904  df-int 4945  df-iun 4993  df-br 5143  df-opab 5205  df-mpt 5226  df-tr 5260  df-id 5570  df-eprel 5576  df-po 5584  df-so 5585  df-fr 5627  df-se 5628  df-we 5629  df-xp 5678  df-rel 5679  df-cnv 5680  df-co 5681  df-dm 5682  df-rn 5683  df-res 5684  df-ima 5685  df-pred 6299  df-ord 6366  df-on 6367  df-lim 6368  df-suc 6369  df-iota 6494  df-fun 6544  df-fn 6545  df-f 6546  df-f1 6547  df-fo 6548  df-f1o 6549  df-fv 6550  df-isom 6551  df-riota 7370  df-ov 7417  df-oprab 7418  df-mpo 7419  df-om 7865  df-1st 7987  df-2nd 7988  df-tpos 8225  df-frecs 8280  df-wrecs 8311  df-recs 8385  df-rdg 8424  df-1o 8480  df-er 8718  df-ec 8720  df-qs 8724  df-map 8838  df-en 8956  df-dom 8957  df-sdom 8958  df-fin 8959  df-sup 9457  df-inf 9458  df-oi 9525  df-card 9954  df-pnf 11272  df-mnf 11273  df-xr 11274  df-ltxr 11275  df-le 11276  df-sub 11468  df-neg 11469  df-div 11894  df-nn 12235  df-2 12297  df-3 12298  df-4 12299  df-5 12300  df-6 12301  df-7 12302  df-8 12303  df-9 12304  df-n0 12495  df-z 12581  df-dec 12700  df-uz 12845  df-rp 12999  df-fz 13509  df-fzo 13652  df-fl 13781  df-mod 13859  df-seq 13991  df-exp 14051  df-hash 14314  df-cj 15070  df-re 15071  df-im 15072  df-sqrt 15206  df-abs 15207  df-clim 15456  df-sum 15657  df-dvds 16223  df-gcd 16461  df-struct 17107  df-sets 17124  df-slot 17142  df-ndx 17154  df-base 17172  df-ress 17201  df-plusg 17237  df-mulr 17238  df-starv 17239  df-sca 17240  df-vsca 17241  df-ip 17242  df-tset 17243  df-ple 17244  df-ds 17246  df-unif 17247  df-0g 17414  df-imas 17481  df-qus 17482  df-mgm 18591  df-sgrp 18670  df-mnd 18686  df-mhm 18731  df-grp 18884  df-minusg 18885  df-sbg 18886  df-mulg 19015  df-subg 19069  df-nsg 19070  df-eqg 19071  df-ghm 19159  df-cmn 19728  df-abl 19729  df-mgp 20066  df-rng 20084  df-ur 20113  df-ring 20166  df-cring 20167  df-oppr 20262  df-dvdsr 20285  df-unit 20286  df-rhm 20400  df-subrng 20472  df-subrg 20497  df-lmod 20734  df-lss 20805  df-lsp 20845  df-sra 21047  df-rgmod 21048  df-lidl 21093  df-rsp 21094  df-2idl 21133  df-cnfld 21267  df-zring 21360  df-zrh 21416  df-zn 21419  df-dchr 27153

This theorem is referenced by:  dchrisum0flblem2  27429