MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  fsumdvdsmul Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem fsumdvdsmul 25228
Description: Product of two divisor sums. (This is also the main part of the proof that "Σ𝑘𝑁𝐹(𝑘) is a multiplicative function if 𝐹 is".) (Contributed by Mario Carneiro, 2-Jul-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
dvdsmulf1o.1 (𝜑𝑀 ∈ ℕ)
dvdsmulf1o.2 (𝜑𝑁 ∈ ℕ)
dvdsmulf1o.3 (𝜑 → (𝑀 gcd 𝑁) = 1)
dvdsmulf1o.x 𝑋 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑀}
dvdsmulf1o.y 𝑌 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}
dvdsmulf1o.z 𝑍 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ (𝑀 · 𝑁)}
fsumdvdsmul.4 ((𝜑𝑗𝑋) → 𝐴 ∈ ℂ)
fsumdvdsmul.5 ((𝜑𝑘𝑌) → 𝐵 ∈ ℂ)
fsumdvdsmul.6 ((𝜑 ∧ (𝑗𝑋𝑘𝑌)) → (𝐴 · 𝐵) = 𝐷)
fsumdvdsmul.7 (𝑖 = (𝑗 · 𝑘) → 𝐶 = 𝐷)
Assertion
Ref Expression
fsumdvdsmul (𝜑 → (Σ𝑗𝑋 𝐴 · Σ𝑘𝑌 𝐵) = Σ𝑖𝑍 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.
StepHypRef Expression
1 fzfid 12987 . . . 4 (𝜑 → (1...𝑀) ∈ Fin)
2 dvdsmulf1o.x . . . . 5 𝑋 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑀}
3 dvdsmulf1o.1 . . . . . 6 (𝜑𝑀 ∈ ℕ)
4 dvdsssfz1 15341 . . . . . 6 (𝑀 ∈ ℕ → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑀} ⊆ (1...𝑀))
53, 4syl 17 . . . . 5 (𝜑 → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑀} ⊆ (1...𝑀))
62, 5syl5eqss 3811 . . . 4 (𝜑𝑋 ⊆ (1...𝑀))
7 ssfi 8391 . . . 4 (((1...𝑀) ∈ Fin ∧ 𝑋 ⊆ (1...𝑀)) → 𝑋 ∈ Fin)
81, 6, 7syl2anc 579 . . 3 (𝜑𝑋 ∈ Fin)
9 fzfid 12987 . . . . 5 (𝜑 → (1...𝑁) ∈ Fin)
10 dvdsmulf1o.y . . . . . 6 𝑌 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}
11 dvdsmulf1o.2 . . . . . . 7 (𝜑𝑁 ∈ ℕ)
12 dvdsssfz1 15341 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ⊆ (1...𝑁))
1311, 12syl 17 . . . . . 6 (𝜑 → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ⊆ (1...𝑁))
1410, 13syl5eqss 3811 . . . . 5 (𝜑𝑌 ⊆ (1...𝑁))
15 ssfi 8391 . . . . 5 (((1...𝑁) ∈ Fin ∧ 𝑌 ⊆ (1...𝑁)) → 𝑌 ∈ Fin)
169, 14, 15syl2anc 579 . . . 4 (𝜑𝑌 ∈ Fin)
17 fsumdvdsmul.5 . . . 4 ((𝜑𝑘𝑌) → 𝐵 ∈ ℂ)
1816, 17fsumcl 14765 . . 3 (𝜑 → Σ𝑘𝑌 𝐵 ∈ ℂ)
19 fsumdvdsmul.4 . . 3 ((𝜑𝑗𝑋) → 𝐴 ∈ ℂ)
208, 18, 19fsummulc1 14817 . 2 (𝜑 → (Σ𝑗𝑋 𝐴 · Σ𝑘𝑌 𝐵) = Σ𝑗𝑋 (𝐴 · Σ𝑘𝑌 𝐵))
2116adantr 472 . . . . 5 ((𝜑𝑗𝑋) → 𝑌 ∈ Fin)
2217adantlr 706 . . . . 5 (((𝜑𝑗𝑋) ∧ 𝑘𝑌) → 𝐵 ∈ ℂ)
2321, 19, 22fsummulc2 14816 . . . 4 ((𝜑𝑗𝑋) → (𝐴 · Σ𝑘𝑌 𝐵) = Σ𝑘𝑌 (𝐴 · 𝐵))
24 fsumdvdsmul.6 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ (𝑗𝑋𝑘𝑌)) → (𝐴 · 𝐵) = 𝐷)
2524anassrs 459 . . . . 5 (((𝜑𝑗𝑋) ∧ 𝑘𝑌) → (𝐴 · 𝐵) = 𝐷)
2625sumeq2dv 14734 . . . 4 ((𝜑𝑗𝑋) → Σ𝑘𝑌 (𝐴 · 𝐵) = Σ𝑘𝑌 𝐷)
2723, 26eqtrd 2799 . . 3 ((𝜑𝑗𝑋) → (𝐴 · Σ𝑘𝑌 𝐵) = Σ𝑘𝑌 𝐷)
2827sumeq2dv 14734 . 2 (𝜑 → Σ𝑗𝑋 (𝐴 · Σ𝑘𝑌 𝐵) = Σ𝑗𝑋 Σ𝑘𝑌 𝐷)
29 fveq2 6379 . . . . . . 7 (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ( · ‘𝑧) = ( · ‘⟨𝑗, 𝑘⟩))
30 df-ov 6849 . . . . . . 7 (𝑗 · 𝑘) = ( · ‘⟨𝑗, 𝑘⟩)
3129, 30syl6eqr 2817 . . . . . 6 (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ( · ‘𝑧) = (𝑗 · 𝑘))
3231csbeq1d 3700 . . . . 5 (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶 = (𝑗 · 𝑘) / 𝑖𝐶)
33 ovex 6878 . . . . . 6 (𝑗 · 𝑘) ∈ V
34 fsumdvdsmul.7 . . . . . 6 (𝑖 = (𝑗 · 𝑘) → 𝐶 = 𝐷)
3533, 34csbie 3719 . . . . 5 (𝑗 · 𝑘) / 𝑖𝐶 = 𝐷
3632, 35syl6eq 2815 . . . 4 (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶 = 𝐷)
3719adantrr 708 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ (𝑗𝑋𝑘𝑌)) → 𝐴 ∈ ℂ)
3817adantrl 707 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ (𝑗𝑋𝑘𝑌)) → 𝐵 ∈ ℂ)
3937, 38mulcld 10318 . . . . 5 ((𝜑 ∧ (𝑗𝑋𝑘𝑌)) → (𝐴 · 𝐵) ∈ ℂ)
4024, 39eqeltrrd 2845 . . . 4 ((𝜑 ∧ (𝑗𝑋𝑘𝑌)) → 𝐷 ∈ ℂ)
4136, 8, 16, 40fsumxp 14804 . . 3 (𝜑 → Σ𝑗𝑋 Σ𝑘𝑌 𝐷 = Σ𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶)
42 nfcv 2907 . . . . 5 𝑤𝐶
43 nfcsb1v 3709 . . . . 5 𝑖𝑤 / 𝑖𝐶
44 csbeq1a 3702 . . . . 5 (𝑖 = 𝑤𝐶 = 𝑤 / 𝑖𝐶)
4542, 43, 44cbvsumi 14728 . . . 4 Σ𝑖𝑍 𝐶 = Σ𝑤𝑍 𝑤 / 𝑖𝐶
46 csbeq1 3696 . . . . 5 (𝑤 = ( · ‘𝑧) → 𝑤 / 𝑖𝐶 = ( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶)
47 xpfi 8442 . . . . . 6 ((𝑋 ∈ Fin ∧ 𝑌 ∈ Fin) → (𝑋 × 𝑌) ∈ Fin)
488, 16, 47syl2anc 579 . . . . 5 (𝜑 → (𝑋 × 𝑌) ∈ Fin)
49 dvdsmulf1o.3 . . . . . 6 (𝜑 → (𝑀 gcd 𝑁) = 1)
50 dvdsmulf1o.z . . . . . 6 𝑍 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ (𝑀 · 𝑁)}
513, 11, 49, 2, 10, 50dvdsmulf1o 25227 . . . . 5 (𝜑 → ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–1-1-onto𝑍)
52 fvres 6398 . . . . . 6 (𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌) → (( · ↾ (𝑋 × 𝑌))‘𝑧) = ( · ‘𝑧))
5352adantl 473 . . . . 5 ((𝜑𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)) → (( · ↾ (𝑋 × 𝑌))‘𝑧) = ( · ‘𝑧))
5440ralrimivva 3118 . . . . . . . 8 (𝜑 → ∀𝑗𝑋𝑘𝑌 𝐷 ∈ ℂ)
5536eleq1d 2829 . . . . . . . . 9 (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → (( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶 ∈ ℂ ↔ 𝐷 ∈ ℂ))
5655ralxp 5434 . . . . . . . 8 (∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑗𝑋𝑘𝑌 𝐷 ∈ ℂ)
5754, 56sylibr 225 . . . . . . 7 (𝜑 → ∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶 ∈ ℂ)
58 ax-mulf 10273 . . . . . . . . . 10 · :(ℂ × ℂ)⟶ℂ
59 ffn 6225 . . . . . . . . . 10 ( · :(ℂ × ℂ)⟶ℂ → · Fn (ℂ × ℂ))
6058, 59ax-mp 5 . . . . . . . . 9 · Fn (ℂ × ℂ)
61 ssrab2 3849 . . . . . . . . . . . 12 {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑀} ⊆ ℕ
622, 61eqsstri 3797 . . . . . . . . . . 11 𝑋 ⊆ ℕ
63 nnsscn 11284 . . . . . . . . . . 11 ℕ ⊆ ℂ
6462, 63sstri 3772 . . . . . . . . . 10 𝑋 ⊆ ℂ
65 ssrab2 3849 . . . . . . . . . . . 12 {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ⊆ ℕ
6610, 65eqsstri 3797 . . . . . . . . . . 11 𝑌 ⊆ ℕ
6766, 63sstri 3772 . . . . . . . . . 10 𝑌 ⊆ ℂ
68 xpss12 5294 . . . . . . . . . 10 ((𝑋 ⊆ ℂ ∧ 𝑌 ⊆ ℂ) → (𝑋 × 𝑌) ⊆ (ℂ × ℂ))
6964, 67, 68mp2an 683 . . . . . . . . 9 (𝑋 × 𝑌) ⊆ (ℂ × ℂ)
7046eleq1d 2829 . . . . . . . . . 10 (𝑤 = ( · ‘𝑧) → (𝑤 / 𝑖𝐶 ∈ ℂ ↔ ( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶 ∈ ℂ))
7170ralima 6695 . . . . . . . . 9 (( · Fn (ℂ × ℂ) ∧ (𝑋 × 𝑌) ⊆ (ℂ × ℂ)) → (∀𝑤 ∈ ( · “ (𝑋 × 𝑌))𝑤 / 𝑖𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶 ∈ ℂ))
7260, 69, 71mp2an 683 . . . . . . . 8 (∀𝑤 ∈ ( · “ (𝑋 × 𝑌))𝑤 / 𝑖𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶 ∈ ℂ)
73 df-ima 5292 . . . . . . . . . 10 ( · “ (𝑋 × 𝑌)) = ran ( · ↾ (𝑋 × 𝑌))
74 f1ofo 6331 . . . . . . . . . . 11 (( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–1-1-onto𝑍 → ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–onto𝑍)
75 forn 6303 . . . . . . . . . . 11 (( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–onto𝑍 → ran ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)) = 𝑍)
7651, 74, 753syl 18 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ran ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)) = 𝑍)
7773, 76syl5eq 2811 . . . . . . . . 9 (𝜑 → ( · “ (𝑋 × 𝑌)) = 𝑍)
7877raleqdv 3292 . . . . . . . 8 (𝜑 → (∀𝑤 ∈ ( · “ (𝑋 × 𝑌))𝑤 / 𝑖𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑤𝑍 𝑤 / 𝑖𝐶 ∈ ℂ))
7972, 78syl5bbr 276 . . . . . . 7 (𝜑 → (∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑤𝑍 𝑤 / 𝑖𝐶 ∈ ℂ))
8057, 79mpbid 223 . . . . . 6 (𝜑 → ∀𝑤𝑍 𝑤 / 𝑖𝐶 ∈ ℂ)
8180r19.21bi 3079 . . . . 5 ((𝜑𝑤𝑍) → 𝑤 / 𝑖𝐶 ∈ ℂ)
8246, 48, 51, 53, 81fsumf1o 14755 . . . 4 (𝜑 → Σ𝑤𝑍 𝑤 / 𝑖𝐶 = Σ𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶)
8345, 82syl5eq 2811 . . 3 (𝜑 → Σ𝑖𝑍 𝐶 = Σ𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)( · ‘𝑧) / 𝑖𝐶)
8441, 83eqtr4d 2802 . 2 (𝜑 → Σ𝑗𝑋 Σ𝑘𝑌 𝐷 = Σ𝑖𝑍 𝐶)
8520, 28, 843eqtrd 2803 1 (𝜑 → (Σ𝑗𝑋 𝐴 · Σ𝑘𝑌 𝐵) = Σ𝑖𝑍 𝐶)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 197  wa 384   = wceq 1652  wcel 2155  wral 3055  {crab 3059  csb 3693  wss 3734  cop 4342   class class class wbr 4811   × cxp 5277  ran crn 5280  cres 5281  cima 5282   Fn wfn 6065  wf 6066  ontowfo 6068  1-1-ontowf1o 6069  cfv 6070  (class class class)co 6846  Fincfn 8164  cc 10191  1c1 10194   · cmul 10198  cn 11279  ...cfz 12540  Σcsu 14717  cdvds 15281   gcd cgcd 15513
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1890  ax-4 1904  ax-5 2005  ax-6 2070  ax-7 2105  ax-8 2157  ax-9 2164  ax-10 2183  ax-11 2198  ax-12 2211  ax-13 2352  ax-ext 2743  ax-rep 4932  ax-sep 4943  ax-nul 4951  ax-pow 5003  ax-pr 5064  ax-un 7151  ax-inf2 8757  ax-cnex 10249  ax-resscn 10250  ax-1cn 10251  ax-icn 10252  ax-addcl 10253  ax-addrcl 10254  ax-mulcl 10255  ax-mulrcl 10256  ax-mulcom 10257  ax-addass 10258  ax-mulass 10259  ax-distr 10260  ax-i2m1 10261  ax-1ne0 10262  ax-1rid 10263  ax-rnegex 10264  ax-rrecex 10265  ax-cnre 10266  ax-pre-lttri 10267  ax-pre-lttrn 10268  ax-pre-ltadd 10269  ax-pre-mulgt0 10270  ax-pre-sup 10271  ax-mulf 10273
This theorem depends on definitions:  df-bi 198  df-an 385  df-or 874  df-3or 1108  df-3an 1109  df-tru 1656  df-fal 1666  df-ex 1875  df-nf 1879  df-sb 2063  df-mo 2565  df-eu 2582  df-clab 2752  df-cleq 2758  df-clel 2761  df-nfc 2896  df-ne 2938  df-nel 3041  df-ral 3060  df-rex 3061  df-reu 3062  df-rmo 3063  df-rab 3064  df-v 3352  df-sbc 3599  df-csb 3694  df-dif 3737  df-un 3739  df-in 3741  df-ss 3748  df-pss 3750  df-nul 4082  df-if 4246  df-pw 4319  df-sn 4337  df-pr 4339  df-tp 4341  df-op 4343  df-uni 4597  df-int 4636  df-iun 4680  df-br 4812  df-opab 4874  df-mpt 4891  df-tr 4914  df-id 5187  df-eprel 5192  df-po 5200  df-so 5201  df-fr 5238  df-se 5239  df-we 5240  df-xp 5285  df-rel 5286  df-cnv 5287  df-co 5288  df-dm 5289  df-rn 5290  df-res 5291  df-ima 5292  df-pred 5867  df-ord 5913  df-on 5914  df-lim 5915  df-suc 5916  df-iota 6033  df-fun 6072  df-fn 6073  df-f 6074  df-f1 6075  df-fo 6076  df-f1o 6077  df-fv 6078  df-isom 6079  df-riota 6807  df-ov 6849  df-oprab 6850  df-mpt2 6851  df-om 7268  df-1st 7370  df-2nd 7371  df-wrecs 7614  df-recs 7676  df-rdg 7714  df-1o 7768  df-oadd 7772  df-er 7951  df-en 8165  df-dom 8166  df-sdom 8167  df-fin 8168  df-sup 8559  df-inf 8560  df-oi 8626  df-card 9020  df-pnf 10334  df-mnf 10335  df-xr 10336  df-ltxr 10337  df-le 10338  df-sub 10527  df-neg 10528  df-div 10944  df-nn 11280  df-2 11340  df-3 11341  df-n0 11544  df-z 11630  df-uz 11894  df-rp 12036  df-fz 12541  df-fzo 12681  df-fl 12808  df-mod 12884  df-seq 13016  df-exp 13075  df-hash 13329  df-cj 14140  df-re 14141  df-im 14142  df-sqrt 14276  df-abs 14277  df-clim 14520  df-sum 14718  df-dvds 15282  df-gcd 15514
This theorem is referenced by:  sgmmul  25233  dchrisum0fmul  25502
  Copyright terms: Public domain W3C validator