Theorem fsumdvdsmul 26544

Description: Product of two divisor sums. (This is also the main part of the proof that "Σ𝑘 ∥ 𝑁𝐹(𝑘) is a multiplicative function if 𝐹 is".) (Contributed by Mario Carneiro, 2-Jul-2015.)

Hypotheses

Ref	Expression
dvdsmulf1o.1	⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ)
dvdsmulf1o.2	⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
dvdsmulf1o.3	⊢ (𝜑 → (𝑀 gcd 𝑁) = 1)
dvdsmulf1o.x	⊢ 𝑋 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑀}
dvdsmulf1o.y	⊢ 𝑌 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}
dvdsmulf1o.z	⊢ 𝑍 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ (𝑀 · 𝑁)}
fsumdvdsmul.4	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → 𝐴 ∈ ℂ)
fsumdvdsmul.5	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌) → 𝐵 ∈ ℂ)
fsumdvdsmul.6	⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → (𝐴 · 𝐵) = 𝐷)
fsumdvdsmul.7	⊢ (𝑖 = (𝑗 · 𝑘) → 𝐶 = 𝐷)

Assertion

Ref	Expression
fsumdvdsmul	⊢ (𝜑 → (Σ𝑗 ∈ 𝑋 𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑖 ∈ 𝑍 𝐶)

Distinct variable groups:   𝐴,𝑘   𝐷,𝑖   𝑥,𝑀   𝑥,𝑁   𝑖,𝑗,𝑘,𝑋   𝐵,𝑗   𝐶,𝑗,𝑘   𝑖,𝑌,𝑗,𝑘   𝑖,𝑍,𝑗   𝑥,𝑖,𝑗,𝑘   𝜑,𝑖,𝑗,𝑘

Allowed substitution hints:   𝜑(𝑥)   𝐴(𝑥,𝑖,𝑗)   𝐵(𝑥,𝑖,𝑘)   𝐶(𝑥,𝑖)   𝐷(𝑥,𝑗,𝑘)   𝑀(𝑖,𝑗,𝑘)   𝑁(𝑖,𝑗,𝑘)   𝑋(𝑥)   𝑌(𝑥)   𝑍(𝑥,𝑘)

Proof of Theorem fsumdvdsmul

Dummy variables 𝑧 𝑤 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		fzfid 13878	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (1...𝑀) ∈ Fin)
2		dvdsmulf1o.x	. . . . 5 ⊢ 𝑋 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑀}
3		dvdsmulf1o.1	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ)
4		dvdsssfz1 16200	. . . . . 6 ⊢ (𝑀 ∈ ℕ → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑀} ⊆ (1...𝑀))
5	3, 4	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑀} ⊆ (1...𝑀))
6	2, 5	eqsstrid 3992	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ⊆ (1...𝑀))
7	1, 6	ssfid 9211	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ Fin)
8		fzfid 13878	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1...𝑁) ∈ Fin)
9		dvdsmulf1o.y	. . . . . 6 ⊢ 𝑌 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}
10		dvdsmulf1o.2	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
11		dvdsssfz1 16200	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ⊆ (1...𝑁))
12	10, 11	syl 17	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ⊆ (1...𝑁))
13	9, 12	eqsstrid 3992	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑌 ⊆ (1...𝑁))
14	8, 13	ssfid 9211	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑌 ∈ Fin)
15		fsumdvdsmul.5	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌) → 𝐵 ∈ ℂ)
16	14, 15	fsumcl 15618	. . 3 ⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵 ∈ ℂ)
17		fsumdvdsmul.4	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → 𝐴 ∈ ℂ)
18	7, 16, 17	fsummulc1 15670	. 2 ⊢ (𝜑 → (Σ𝑗 ∈ 𝑋 𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑗 ∈ 𝑋 (𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵))
19	14	adantr 481	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → 𝑌 ∈ Fin)
20	15	adantlr 713	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) ∧ 𝑘 ∈ 𝑌) → 𝐵 ∈ ℂ)
21	19, 17, 20	fsummulc2 15669	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → (𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑘 ∈ 𝑌 (𝐴 · 𝐵))
22		fsumdvdsmul.6	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → (𝐴 · 𝐵) = 𝐷)
23	22	anassrs 468	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) ∧ 𝑘 ∈ 𝑌) → (𝐴 · 𝐵) = 𝐷)
24	23	sumeq2dv 15588	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → Σ𝑘 ∈ 𝑌 (𝐴 · 𝐵) = Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷)
25	21, 24	eqtrd 2776	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → (𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷)
26	25	sumeq2dv 15588	. 2 ⊢ (𝜑 → Σ𝑗 ∈ 𝑋 (𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑗 ∈ 𝑋 Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷)
27		fveq2 6842	. . . . . . 7 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ( · ‘𝑧) = ( · ‘⟨𝑗, 𝑘⟩))
28		df-ov 7360	. . . . . . 7 ⊢ (𝑗 · 𝑘) = ( · ‘⟨𝑗, 𝑘⟩)
29	27, 28	eqtr4di 2794	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ( · ‘𝑧) = (𝑗 · 𝑘))
30	29	csbeq1d 3859	. . . . 5 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 = ⦋(𝑗 · 𝑘) / 𝑖⦌𝐶)
31		ovex 7390	. . . . . 6 ⊢ (𝑗 · 𝑘) ∈ V
32		fsumdvdsmul.7	. . . . . 6 ⊢ (𝑖 = (𝑗 · 𝑘) → 𝐶 = 𝐷)
33	31, 32	csbie 3891	. . . . 5 ⊢ ⦋(𝑗 · 𝑘) / 𝑖⦌𝐶 = 𝐷
34	30, 33	eqtrdi 2792	. . . 4 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 = 𝐷)
35	17	adantrr 715	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → 𝐴 ∈ ℂ)
36	15	adantrl 714	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → 𝐵 ∈ ℂ)
37	35, 36	mulcld 11175	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → (𝐴 · 𝐵) ∈ ℂ)
38	22, 37	eqeltrrd 2839	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → 𝐷 ∈ ℂ)
39	34, 7, 14, 38	fsumxp 15657	. . 3 ⊢ (𝜑 → Σ𝑗 ∈ 𝑋 Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷 = Σ𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶)
40		nfcv 2907	. . . . 5 ⊢ Ⅎ𝑤𝐶
41		nfcsb1v 3880	. . . . 5 ⊢ Ⅎ𝑖⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶
42		csbeq1a 3869	. . . . 5 ⊢ (𝑖 = 𝑤 → 𝐶 = ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶)
43	40, 41, 42	cbvsumi 15582	. . . 4 ⊢ Σ𝑖 ∈ 𝑍 𝐶 = Σ𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶
44		csbeq1 3858	. . . . 5 ⊢ (𝑤 = ( · ‘𝑧) → ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 = ⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶)
45		xpfi 9261	. . . . . 6 ⊢ ((𝑋 ∈ Fin ∧ 𝑌 ∈ Fin) → (𝑋 × 𝑌) ∈ Fin)
46	7, 14, 45	syl2anc 584	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑋 × 𝑌) ∈ Fin)
47		dvdsmulf1o.3	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑀 gcd 𝑁) = 1)
48		dvdsmulf1o.z	. . . . . 6 ⊢ 𝑍 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ (𝑀 · 𝑁)}
49	3, 10, 47, 2, 9, 48	dvdsmulf1o 26543	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–1-1-onto→𝑍)
50		fvres 6861	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌) → (( · ↾ (𝑋 × 𝑌))‘𝑧) = ( · ‘𝑧))
51	50	adantl 482	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)) → (( · ↾ (𝑋 × 𝑌))‘𝑧) = ( · ‘𝑧))
52	38	ralrimivva 3197	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ∀𝑗 ∈ 𝑋 ∀𝑘 ∈ 𝑌 𝐷 ∈ ℂ)
53	34	eleq1d 2822	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → (⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ 𝐷 ∈ ℂ))
54	53	ralxp 5797	. . . . . . . 8 ⊢ (∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑗 ∈ 𝑋 ∀𝑘 ∈ 𝑌 𝐷 ∈ ℂ)
55	52, 54	sylibr 233	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ)
56		ax-mulf 11131	. . . . . . . . . 10 ⊢ · :(ℂ × ℂ)⟶ℂ
57		ffn 6668	. . . . . . . . . 10 ⊢ ( · :(ℂ × ℂ)⟶ℂ → · Fn (ℂ × ℂ))
58	56, 57	ax-mp 5	. . . . . . . . 9 ⊢ · Fn (ℂ × ℂ)
59	2	ssrab3 4040	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 𝑋 ⊆ ℕ
60		nnsscn 12158	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ℕ ⊆ ℂ
61	59, 60	sstri 3953	. . . . . . . . . 10 ⊢ 𝑋 ⊆ ℂ
62	9	ssrab3 4040	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 𝑌 ⊆ ℕ
63	62, 60	sstri 3953	. . . . . . . . . 10 ⊢ 𝑌 ⊆ ℂ
64		xpss12 5648	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑋 ⊆ ℂ ∧ 𝑌 ⊆ ℂ) → (𝑋 × 𝑌) ⊆ (ℂ × ℂ))
65	61, 63, 64	mp2an 690	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑋 × 𝑌) ⊆ (ℂ × ℂ)
66	44	eleq1d 2822	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑤 = ( · ‘𝑧) → (⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ))
67	66	ralima 7188	. . . . . . . . 9 ⊢ (( · Fn (ℂ × ℂ) ∧ (𝑋 × 𝑌) ⊆ (ℂ × ℂ)) → (∀𝑤 ∈ ( · “ (𝑋 × 𝑌))⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ))
68	58, 65, 67	mp2an 690	. . . . . . . 8 ⊢ (∀𝑤 ∈ ( · “ (𝑋 × 𝑌))⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ)
69		df-ima 5646	. . . . . . . . . 10 ⊢ ( · “ (𝑋 × 𝑌)) = ran ( · ↾ (𝑋 × 𝑌))
70		f1ofo 6791	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–1-1-onto→𝑍 → ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–onto→𝑍)
71		forn 6759	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–onto→𝑍 → ran ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)) = 𝑍)
72	49, 70, 71	3syl 18	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → ran ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)) = 𝑍)
73	69, 72	eqtrid 2788	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → ( · “ (𝑋 × 𝑌)) = 𝑍)
74	73	raleqdv 3313	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (∀𝑤 ∈ ( · “ (𝑋 × 𝑌))⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ))
75	68, 74	bitr3id 284	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ))
76	55, 75	mpbid 231	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ∀𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ)
77	76	r19.21bi 3234	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ 𝑍) → ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ)
78	44, 46, 49, 51, 77	fsumf1o 15608	. . . 4 ⊢ (𝜑 → Σ𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 = Σ𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶)
79	43, 78	eqtrid 2788	. . 3 ⊢ (𝜑 → Σ𝑖 ∈ 𝑍 𝐶 = Σ𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶)
80	39, 79	eqtr4d 2779	. 2 ⊢ (𝜑 → Σ𝑗 ∈ 𝑋 Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷 = Σ𝑖 ∈ 𝑍 𝐶)
81	18, 26, 80	3eqtrd 2780	1 ⊢ (𝜑 → (Σ𝑗 ∈ 𝑋 𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑖 ∈ 𝑍 𝐶)

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 205   ∧ wa 396   = wceq 1541   ∈ wcel 2106  ∀wral 3064  {crab 3407  ⦋csb 3855   ⊆ wss 3910  ⟨cop 4592   class class class wbr 5105   × cxp 5631  ran crn 5634   ↾ cres 5635   “ cima 5636   Fn wfn 6491  ⟶wf 6492  –onto→wfo 6494  –1-1-onto→wf1o 6495  ‘cfv 6496  (class class class)co 7357  Fincfn 8883  ℂcc 11049  1c1 11052   · cmul 11056  ℕcn 12153  ...cfz 13424  Σcsu 15570   ∥ cdvds 16136   gcd cgcd 16374

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2707  ax-rep 5242  ax-sep 5256  ax-nul 5263  ax-pow 5320  ax-pr 5384  ax-un 7672  ax-inf2 9577  ax-cnex 11107  ax-resscn 11108  ax-1cn 11109  ax-icn 11110  ax-addcl 11111  ax-addrcl 11112  ax-mulcl 11113  ax-mulrcl 11114  ax-mulcom 11115  ax-addass 11116  ax-mulass 11117  ax-distr 11118  ax-i2m1 11119  ax-1ne0 11120  ax-1rid 11121  ax-rnegex 11122  ax-rrecex 11123  ax-cnre 11124  ax-pre-lttri 11125  ax-pre-lttrn 11126  ax-pre-ltadd 11127  ax-pre-mulgt0 11128  ax-pre-sup 11129  ax-mulf 11131

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2068  df-mo 2538  df-eu 2567  df-clab 2714  df-cleq 2728  df-clel 2814  df-nfc 2889  df-ne 2944  df-nel 3050  df-ral 3065  df-rex 3074  df-rmo 3353  df-reu 3354  df-rab 3408  df-v 3447  df-sbc 3740  df-csb 3856  df-dif 3913  df-un 3915  df-in 3917  df-ss 3927  df-pss 3929  df-nul 4283  df-if 4487  df-pw 4562  df-sn 4587  df-pr 4589  df-op 4593  df-uni 4866  df-int 4908  df-iun 4956  df-br 5106  df-opab 5168  df-mpt 5189  df-tr 5223  df-id 5531  df-eprel 5537  df-po 5545  df-so 5546  df-fr 5588  df-se 5589  df-we 5590  df-xp 5639  df-rel 5640  df-cnv 5641  df-co 5642  df-dm 5643  df-rn 5644  df-res 5645  df-ima 5646  df-pred 6253  df-ord 6320  df-on 6321  df-lim 6322  df-suc 6323  df-iota 6448  df-fun 6498  df-fn 6499  df-f 6500  df-f1 6501  df-fo 6502  df-f1o 6503  df-fv 6504  df-isom 6505  df-riota 7313  df-ov 7360  df-oprab 7361  df-mpo 7362  df-om 7803  df-1st 7921  df-2nd 7922  df-frecs 8212  df-wrecs 8243  df-recs 8317  df-rdg 8356  df-1o 8412  df-er 8648  df-en 8884  df-dom 8885  df-sdom 8886  df-fin 8887  df-sup 9378  df-inf 9379  df-oi 9446  df-card 9875  df-pnf 11191  df-mnf 11192  df-xr 11193  df-ltxr 11194  df-le 11195  df-sub 11387  df-neg 11388  df-div 11813  df-nn 12154  df-2 12216  df-3 12217  df-n0 12414  df-z 12500  df-uz 12764  df-rp 12916  df-fz 13425  df-fzo 13568  df-fl 13697  df-mod 13775  df-seq 13907  df-exp 13968  df-hash 14231  df-cj 14984  df-re 14985  df-im 14986  df-sqrt 15120  df-abs 15121  df-clim 15370  df-sum 15571  df-dvds 16137  df-gcd 16375

This theorem is referenced by:  sgmmul  26549  dchrisum0fmul  26854