Theorem fsumdvdsmul 25228

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 12987	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (1...𝑀) ∈ Fin)
2		dvdsmulf1o.x	. . . . 5 ⊢ 𝑋 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑀}
3		dvdsmulf1o.1	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ)
4		dvdsssfz1 15341	. . . . . 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	syl5eqss 3811	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ⊆ (1...𝑀))
7		ssfi 8391	. . . 4 ⊢ (((1...𝑀) ∈ Fin ∧ 𝑋 ⊆ (1...𝑀)) → 𝑋 ∈ Fin)
8	1, 6, 7	syl2anc 579	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ Fin)
9		fzfid 12987	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (1...𝑁) ∈ Fin)
10		dvdsmulf1o.y	. . . . . 6 ⊢ 𝑌 = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}
11		dvdsmulf1o.2	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
12		dvdsssfz1 15341	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ⊆ (1...𝑁))
13	11, 12	syl 17	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ⊆ (1...𝑁))
14	10, 13	syl5eqss 3811	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑌 ⊆ (1...𝑁))
15		ssfi 8391	. . . . 5 ⊢ (((1...𝑁) ∈ Fin ∧ 𝑌 ⊆ (1...𝑁)) → 𝑌 ∈ Fin)
16	9, 14, 15	syl2anc 579	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑌 ∈ Fin)
17		fsumdvdsmul.5	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌) → 𝐵 ∈ ℂ)
18	16, 17	fsumcl 14765	. . 3 ⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵 ∈ ℂ)
19		fsumdvdsmul.4	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → 𝐴 ∈ ℂ)
20	8, 18, 19	fsummulc1 14817	. 2 ⊢ (𝜑 → (Σ𝑗 ∈ 𝑋 𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑗 ∈ 𝑋 (𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵))
21	16	adantr 472	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → 𝑌 ∈ Fin)
22	17	adantlr 706	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) ∧ 𝑘 ∈ 𝑌) → 𝐵 ∈ ℂ)
23	21, 19, 22	fsummulc2 14816	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → (𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑘 ∈ 𝑌 (𝐴 · 𝐵))
24		fsumdvdsmul.6	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → (𝐴 · 𝐵) = 𝐷)
25	24	anassrs 459	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) ∧ 𝑘 ∈ 𝑌) → (𝐴 · 𝐵) = 𝐷)
26	25	sumeq2dv 14734	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → Σ𝑘 ∈ 𝑌 (𝐴 · 𝐵) = Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷)
27	23, 26	eqtrd 2799	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ 𝑋) → (𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷)
28	27	sumeq2dv 14734	. 2 ⊢ (𝜑 → Σ𝑗 ∈ 𝑋 (𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑗 ∈ 𝑋 Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷)
29		fveq2 6379	. . . . . . 7 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ( · ‘𝑧) = ( · ‘⟨𝑗, 𝑘⟩))
30		df-ov 6849	. . . . . . 7 ⊢ (𝑗 · 𝑘) = ( · ‘⟨𝑗, 𝑘⟩)
31	29, 30	syl6eqr 2817	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ( · ‘𝑧) = (𝑗 · 𝑘))
32	31	csbeq1d 3700	. . . . 5 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 = ⦋(𝑗 · 𝑘) / 𝑖⦌𝐶)
33		ovex 6878	. . . . . 6 ⊢ (𝑗 · 𝑘) ∈ V
34		fsumdvdsmul.7	. . . . . 6 ⊢ (𝑖 = (𝑗 · 𝑘) → 𝐶 = 𝐷)
35	33, 34	csbie 3719	. . . . 5 ⊢ ⦋(𝑗 · 𝑘) / 𝑖⦌𝐶 = 𝐷
36	32, 35	syl6eq 2815	. . . 4 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → ⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 = 𝐷)
37	19	adantrr 708	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → 𝐴 ∈ ℂ)
38	17	adantrl 707	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → 𝐵 ∈ ℂ)
39	37, 38	mulcld 10318	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → (𝐴 · 𝐵) ∈ ℂ)
40	24, 39	eqeltrrd 2845	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑗 ∈ 𝑋 ∧ 𝑘 ∈ 𝑌)) → 𝐷 ∈ ℂ)
41	36, 8, 16, 40	fsumxp 14804	. . 3 ⊢ (𝜑 → Σ𝑗 ∈ 𝑋 Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷 = Σ𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶)
42		nfcv 2907	. . . . 5 ⊢ Ⅎ𝑤𝐶
43		nfcsb1v 3709	. . . . 5 ⊢ Ⅎ𝑖⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶
44		csbeq1a 3702	. . . . 5 ⊢ (𝑖 = 𝑤 → 𝐶 = ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶)
45	42, 43, 44	cbvsumi 14728	. . . 4 ⊢ Σ𝑖 ∈ 𝑍 𝐶 = Σ𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶
46		csbeq1 3696	. . . . 5 ⊢ (𝑤 = ( · ‘𝑧) → ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 = ⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶)
47		xpfi 8442	. . . . . 6 ⊢ ((𝑋 ∈ Fin ∧ 𝑌 ∈ Fin) → (𝑋 × 𝑌) ∈ Fin)
48	8, 16, 47	syl2anc 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)}
51	3, 11, 49, 2, 10, 50	dvdsmulf1o 25227	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–1-1-onto→𝑍)
52		fvres 6398	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌) → (( · ↾ (𝑋 × 𝑌))‘𝑧) = ( · ‘𝑧))
53	52	adantl 473	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)) → (( · ↾ (𝑋 × 𝑌))‘𝑧) = ( · ‘𝑧))
54	40	ralrimivva 3118	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ∀𝑗 ∈ 𝑋 ∀𝑘 ∈ 𝑌 𝐷 ∈ ℂ)
55	36	eleq1d 2829	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑧 = ⟨𝑗, 𝑘⟩ → (⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ 𝐷 ∈ ℂ))
56	55	ralxp 5434	. . . . . . . 8 ⊢ (∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑗 ∈ 𝑋 ∀𝑘 ∈ 𝑌 𝐷 ∈ ℂ)
57	54, 56	sylibr 225	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ)
58		ax-mulf 10273	. . . . . . . . . 10 ⊢ · :(ℂ × ℂ)⟶ℂ
59		ffn 6225	. . . . . . . . . 10 ⊢ ( · :(ℂ × ℂ)⟶ℂ → · Fn (ℂ × ℂ))
60	58, 59	ax-mp 5	. . . . . . . . 9 ⊢ · Fn (ℂ × ℂ)
61		ssrab2 3849	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑀} ⊆ ℕ
62	2, 61	eqsstri 3797	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 𝑋 ⊆ ℕ
63		nnsscn 11284	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ℕ ⊆ ℂ
64	62, 63	sstri 3772	. . . . . . . . . 10 ⊢ 𝑋 ⊆ ℂ
65		ssrab2 3849	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ⊆ ℕ
66	10, 65	eqsstri 3797	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 𝑌 ⊆ ℕ
67	66, 63	sstri 3772	. . . . . . . . . 10 ⊢ 𝑌 ⊆ ℂ
68		xpss12 5294	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑋 ⊆ ℂ ∧ 𝑌 ⊆ ℂ) → (𝑋 × 𝑌) ⊆ (ℂ × ℂ))
69	64, 67, 68	mp2an 683	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑋 × 𝑌) ⊆ (ℂ × ℂ)
70	46	eleq1d 2829	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑤 = ( · ‘𝑧) → (⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ))
71	70	ralima 6695	. . . . . . . . 9 ⊢ (( · Fn (ℂ × ℂ) ∧ (𝑋 × 𝑌) ⊆ (ℂ × ℂ)) → (∀𝑤 ∈ ( · “ (𝑋 × 𝑌))⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ))
72	60, 69, 71	mp2an 683	. . . . . . . 8 ⊢ (∀𝑤 ∈ ( · “ (𝑋 × 𝑌))⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ)
73		df-ima 5292	. . . . . . . . . 10 ⊢ ( · “ (𝑋 × 𝑌)) = ran ( · ↾ (𝑋 × 𝑌))
74		f1ofo 6331	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–1-1-onto→𝑍 → ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–onto→𝑍)
75		forn 6303	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (( · ↾ (𝑋 × 𝑌)):(𝑋 × 𝑌)–onto→𝑍 → ran ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)) = 𝑍)
76	51, 74, 75	3syl 18	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → ran ( · ↾ (𝑋 × 𝑌)) = 𝑍)
77	73, 76	syl5eq 2811	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → ( · “ (𝑋 × 𝑌)) = 𝑍)
78	77	raleqdv 3292	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (∀𝑤 ∈ ( · “ (𝑋 × 𝑌))⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ))
79	72, 78	syl5bbr 276	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (∀𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ ↔ ∀𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ))
80	57, 79	mpbid 223	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ∀𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ)
81	80	r19.21bi 3079	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ 𝑍) → ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 ∈ ℂ)
82	46, 48, 51, 53, 81	fsumf1o 14755	. . . 4 ⊢ (𝜑 → Σ𝑤 ∈ 𝑍 ⦋𝑤 / 𝑖⦌𝐶 = Σ𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶)
83	45, 82	syl5eq 2811	. . 3 ⊢ (𝜑 → Σ𝑖 ∈ 𝑍 𝐶 = Σ𝑧 ∈ (𝑋 × 𝑌)⦋( · ‘𝑧) / 𝑖⦌𝐶)
84	41, 83	eqtr4d 2802	. 2 ⊢ (𝜑 → Σ𝑗 ∈ 𝑋 Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐷 = Σ𝑖 ∈ 𝑍 𝐶)
85	20, 28, 84	3eqtrd 2803	1 ⊢ (𝜑 → (Σ𝑗 ∈ 𝑋 𝐴 · Σ𝑘 ∈ 𝑌 𝐵) = Σ𝑖 ∈ 𝑍 𝐶)

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  –onto→wfo 6068  –1-1-onto→wf1o 6069  ‘cfv 6070  (class class class)co 6846  Fincfn 8164  ℂcc 10191  1c1 10194   · cmul 10198  ℕcn 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