Theorem geo2lim 15231

Description: The value of the infinite geometric series 2↑-1 + 2↑-2 +... , multiplied by a constant. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Jun-2014.)

Hypothesis

Ref	Expression
geo2lim.1	⊢ 𝐹 = (𝑘 ∈ ℕ ↦ (𝐴 / (2↑𝑘)))

Assertion

Ref	Expression
geo2lim	⊢ (𝐴 ∈ ℂ → seq1( + , 𝐹) ⇝ 𝐴)

Distinct variable group:   𝐴,𝑘

Allowed substitution hint:   𝐹(𝑘)

Proof of Theorem geo2lim

Dummy variables 𝑗 𝑛 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nnuz 12282	. . 3 ⊢ ℕ = (ℤ≥‘1)
2		1zzd 12014	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → 1 ∈ ℤ)
3		halfcn 11853	. . . . . . 7 ⊢ (1 / 2) ∈ ℂ
4	3	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 / 2) ∈ ℂ)
5		halfre 11852	. . . . . . . . 9 ⊢ (1 / 2) ∈ ℝ
6		halfge0 11855	. . . . . . . . 9 ⊢ 0 ≤ (1 / 2)
7		absid 14656	. . . . . . . . 9 ⊢ (((1 / 2) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (1 / 2)) → (abs‘(1 / 2)) = (1 / 2))
8	5, 6, 7	mp2an 690	. . . . . . . 8 ⊢ (abs‘(1 / 2)) = (1 / 2)
9		halflt1 11856	. . . . . . . 8 ⊢ (1 / 2) < 1
10	8, 9	eqbrtri 5087	. . . . . . 7 ⊢ (abs‘(1 / 2)) < 1
11	10	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (abs‘(1 / 2)) < 1)
12	4, 11	expcnv 15219	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((1 / 2)↑𝑘)) ⇝ 0)
13		id 22	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → 𝐴 ∈ ℂ)
14		geo2lim.1	. . . . . . 7 ⊢ 𝐹 = (𝑘 ∈ ℕ ↦ (𝐴 / (2↑𝑘)))
15		nnex 11644	. . . . . . . 8 ⊢ ℕ ∈ V
16	15	mptex 6986	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ ↦ (𝐴 / (2↑𝑘))) ∈ V
17	14, 16	eqeltri 2909	. . . . . 6 ⊢ 𝐹 ∈ V
18	17	a1i 11	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → 𝐹 ∈ V)
19		nnnn0 11905	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℕ0)
20	19	adantl 484	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ∈ ℕ0)
21		oveq2 7164	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 = 𝑗 → ((1 / 2)↑𝑘) = ((1 / 2)↑𝑗))
22		eqid 2821	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((1 / 2)↑𝑘)) = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((1 / 2)↑𝑘))
23		ovex 7189	. . . . . . . . 9 ⊢ ((1 / 2)↑𝑗) ∈ V
24	21, 22, 23	fvmpt 6768	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ0 → ((𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((1 / 2)↑𝑘))‘𝑗) = ((1 / 2)↑𝑗))
25	20, 24	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → ((𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((1 / 2)↑𝑘))‘𝑗) = ((1 / 2)↑𝑗))
26		2cn 11713	. . . . . . . 8 ⊢ 2 ∈ ℂ
27		2ne0 11742	. . . . . . . 8 ⊢ 2 ≠ 0
28		nnz 12005	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℤ)
29	28	adantl 484	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ∈ ℤ)
30		exprec 13471	. . . . . . . 8 ⊢ ((2 ∈ ℂ ∧ 2 ≠ 0 ∧ 𝑗 ∈ ℤ) → ((1 / 2)↑𝑗) = (1 / (2↑𝑗)))
31	26, 27, 29, 30	mp3an12i 1461	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → ((1 / 2)↑𝑗) = (1 / (2↑𝑗)))
32	25, 31	eqtrd 2856	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → ((𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((1 / 2)↑𝑘))‘𝑗) = (1 / (2↑𝑗)))
33		2nn 11711	. . . . . . . . 9 ⊢ 2 ∈ ℕ
34		nnexpcl 13443	. . . . . . . . 9 ⊢ ((2 ∈ ℕ ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (2↑𝑗) ∈ ℕ)
35	33, 20, 34	sylancr 589	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (2↑𝑗) ∈ ℕ)
36	35	nnrecred 11689	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (1 / (2↑𝑗)) ∈ ℝ)
37	36	recnd 10669	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (1 / (2↑𝑗)) ∈ ℂ)
38	32, 37	eqeltrd 2913	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → ((𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((1 / 2)↑𝑘))‘𝑗) ∈ ℂ)
39		simpl 485	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝐴 ∈ ℂ)
40	35	nncnd 11654	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (2↑𝑗) ∈ ℂ)
41	35	nnne0d 11688	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (2↑𝑗) ≠ 0)
42	39, 40, 41	divrecd 11419	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐴 / (2↑𝑗)) = (𝐴 · (1 / (2↑𝑗))))
43		oveq2 7164	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 = 𝑗 → (2↑𝑘) = (2↑𝑗))
44	43	oveq2d 7172	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 = 𝑗 → (𝐴 / (2↑𝑘)) = (𝐴 / (2↑𝑗)))
45		ovex 7189	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 / (2↑𝑗)) ∈ V
46	44, 14, 45	fvmpt 6768	. . . . . . 7 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ → (𝐹‘𝑗) = (𝐴 / (2↑𝑗)))
47	46	adantl 484	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑗) = (𝐴 / (2↑𝑗)))
48	32	oveq2d 7172	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐴 · ((𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((1 / 2)↑𝑘))‘𝑗)) = (𝐴 · (1 / (2↑𝑗))))
49	42, 47, 48	3eqtr4d 2866	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑗) = (𝐴 · ((𝑘 ∈ ℕ0 ↦ ((1 / 2)↑𝑘))‘𝑗)))
50	1, 2, 12, 13, 18, 38, 49	climmulc2 14993	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → 𝐹 ⇝ (𝐴 · 0))
51		mul01 10819	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴 · 0) = 0)
52	50, 51	breqtrd 5092	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → 𝐹 ⇝ 0)
53		seqex 13372	. . . 4 ⊢ seq1( + , 𝐹) ∈ V
54	53	a1i 11	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → seq1( + , 𝐹) ∈ V)
55	39, 40, 41	divcld 11416	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐴 / (2↑𝑗)) ∈ ℂ)
56	47, 55	eqeltrd 2913	. . 3 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐹‘𝑗) ∈ ℂ)
57	47	oveq2d 7172	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (𝐴 − (𝐹‘𝑗)) = (𝐴 − (𝐴 / (2↑𝑗))))
58		geo2sum 15229	. . . . 5 ⊢ ((𝑗 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℂ) → Σ𝑛 ∈ (1...𝑗)(𝐴 / (2↑𝑛)) = (𝐴 − (𝐴 / (2↑𝑗))))
59	58	ancoms 461	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → Σ𝑛 ∈ (1...𝑗)(𝐴 / (2↑𝑛)) = (𝐴 − (𝐴 / (2↑𝑗))))
60		elfznn 12937	. . . . . . 7 ⊢ (𝑛 ∈ (1...𝑗) → 𝑛 ∈ ℕ)
61	60	adantl 484	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑛 ∈ (1...𝑗)) → 𝑛 ∈ ℕ)
62		oveq2 7164	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 = 𝑛 → (2↑𝑘) = (2↑𝑛))
63	62	oveq2d 7172	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 = 𝑛 → (𝐴 / (2↑𝑘)) = (𝐴 / (2↑𝑛)))
64		ovex 7189	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 / (2↑𝑛)) ∈ V
65	63, 14, 64	fvmpt 6768	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (𝐹‘𝑛) = (𝐴 / (2↑𝑛)))
66	61, 65	syl 17	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑛 ∈ (1...𝑗)) → (𝐹‘𝑛) = (𝐴 / (2↑𝑛)))
67		simpr 487	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ∈ ℕ)
68	67, 1	eleqtrdi 2923	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → 𝑗 ∈ (ℤ≥‘1))
69		simpll 765	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑛 ∈ (1...𝑗)) → 𝐴 ∈ ℂ)
70		nnnn0 11905	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℕ0)
71		nnexpcl 13443	. . . . . . . . 9 ⊢ ((2 ∈ ℕ ∧ 𝑛 ∈ ℕ0) → (2↑𝑛) ∈ ℕ)
72	33, 70, 71	sylancr 589	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ → (2↑𝑛) ∈ ℕ)
73	61, 72	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑛 ∈ (1...𝑗)) → (2↑𝑛) ∈ ℕ)
74	73	nncnd 11654	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑛 ∈ (1...𝑗)) → (2↑𝑛) ∈ ℂ)
75	73	nnne0d 11688	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑛 ∈ (1...𝑗)) → (2↑𝑛) ≠ 0)
76	69, 74, 75	divcld 11416	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) ∧ 𝑛 ∈ (1...𝑗)) → (𝐴 / (2↑𝑛)) ∈ ℂ)
77	66, 68, 76	fsumser 15087	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → Σ𝑛 ∈ (1...𝑗)(𝐴 / (2↑𝑛)) = (seq1( + , 𝐹)‘𝑗))
78	57, 59, 77	3eqtr2rd 2863	. . 3 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ) → (seq1( + , 𝐹)‘𝑗) = (𝐴 − (𝐹‘𝑗)))
79	1, 2, 52, 13, 54, 56, 78	climsubc2 14995	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → seq1( + , 𝐹) ⇝ (𝐴 − 0))
80		subid1 10906	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴 − 0) = 𝐴)
81	79, 80	breqtrd 5092	1 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → seq1( + , 𝐹) ⇝ 𝐴)

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 398   = wceq 1537   ∈ wcel 2114   ≠ wne 3016  Vcvv 3494   class class class wbr 5066   ↦ cmpt 5146  ‘cfv 6355  (class class class)co 7156  ℂcc 10535  ℝcr 10536  0cc0 10537  1c1 10538   + caddc 10540   · cmul 10542   < clt 10675   ≤ cle 10676   − cmin 10870   / cdiv 11297  ℕcn 11638  2c2 11693  ℕ₀cn0 11898  ℤcz 11982  ℤ_≥cuz 12244  ...cfz 12893  seqcseq 13370  ↑cexp 13430  abscabs 14593   ⇝ cli 14841  Σcsu 15042

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1796  ax-4 1810  ax-5 1911  ax-6 1970  ax-7 2015  ax-8 2116  ax-9 2124  ax-10 2145  ax-11 2161  ax-12 2177  ax-ext 2793  ax-rep 5190  ax-sep 5203  ax-nul 5210  ax-pow 5266  ax-pr 5330  ax-un 7461  ax-inf2 9104  ax-cnex 10593  ax-resscn 10594  ax-1cn 10595  ax-icn 10596  ax-addcl 10597  ax-addrcl 10598  ax-mulcl 10599  ax-mulrcl 10600  ax-mulcom 10601  ax-addass 10602  ax-mulass 10603  ax-distr 10604  ax-i2m1 10605  ax-1ne0 10606  ax-1rid 10607  ax-rnegex 10608  ax-rrecex 10609  ax-cnre 10610  ax-pre-lttri 10611  ax-pre-lttrn 10612  ax-pre-ltadd 10613  ax-pre-mulgt0 10614  ax-pre-sup 10615

This theorem depends on definitions:  df-bi 209  df-an 399  df-or 844  df-3or 1084  df-3an 1085  df-tru 1540  df-fal 1550  df-ex 1781  df-nf 1785  df-sb 2070  df-mo 2622  df-eu 2654  df-clab 2800  df-cleq 2814  df-clel 2893  df-nfc 2963  df-ne 3017  df-nel 3124  df-ral 3143  df-rex 3144  df-reu 3145  df-rmo 3146  df-rab 3147  df-v 3496  df-sbc 3773  df-csb 3884  df-dif 3939  df-un 3941  df-in 3943  df-ss 3952  df-pss 3954  df-nul 4292  df-if 4468  df-pw 4541  df-sn 4568  df-pr 4570  df-tp 4572  df-op 4574  df-uni 4839  df-int 4877  df-iun 4921  df-br 5067  df-opab 5129  df-mpt 5147  df-tr 5173  df-id 5460  df-eprel 5465  df-po 5474  df-so 5475  df-fr 5514  df-se 5515  df-we 5516  df-xp 5561  df-rel 5562  df-cnv 5563  df-co 5564  df-dm 5565  df-rn 5566  df-res 5567  df-ima 5568  df-pred 6148  df-ord 6194  df-on 6195  df-lim 6196  df-suc 6197  df-iota 6314  df-fun 6357  df-fn 6358  df-f 6359  df-f1 6360  df-fo 6361  df-f1o 6362  df-fv 6363  df-isom 6364  df-riota 7114  df-ov 7159  df-oprab 7160  df-mpo 7161  df-om 7581  df-1st 7689  df-2nd 7690  df-wrecs 7947  df-recs 8008  df-rdg 8046  df-1o 8102  df-oadd 8106  df-er 8289  df-pm 8409  df-en 8510  df-dom 8511  df-sdom 8512  df-fin 8513  df-sup 8906  df-inf 8907  df-oi 8974  df-card 9368  df-pnf 10677  df-mnf 10678  df-xr 10679  df-ltxr 10680  df-le 10681  df-sub 10872  df-neg 10873  df-div 11298  df-nn 11639  df-2 11701  df-3 11702  df-n0 11899  df-z 11983  df-uz 12245  df-rp 12391  df-fz 12894  df-fzo 13035  df-fl 13163  df-seq 13371  df-exp 13431  df-hash 13692  df-cj 14458  df-re 14459  df-im 14460  df-sqrt 14594  df-abs 14595  df-clim 14845  df-rlim 14846  df-sum 15043

This theorem is referenced by:  omssubadd  31558  sge0ad2en  42733