Theorem geolim 16068

Description: The partial sums in the infinite series 1 + 𝐴↑1 + 𝐴↑2... converge to (1 / (1 − 𝐴)). (Contributed by NM, 15-May-2006.)

Hypotheses

Ref	Expression
geolim.1	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℂ)
geolim.2	⊢ (𝜑 → (abs‘𝐴) < 1)
geolim.3	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (𝐹‘𝑘) = (𝐴↑𝑘))

Assertion

Ref	Expression
geolim	⊢ (𝜑 → seq0( + , 𝐹) ⇝ (1 / (1 − 𝐴)))

Distinct variable groups:   𝐴,𝑘   𝑘,𝐹   𝜑,𝑘

Proof of Theorem geolim

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

Step	Hyp	Ref	Expression
1		nn0uz 13030	. . 3 ⊢ ℕ0 = (ℤ≥‘0)
2		0zd 12732	. . 3 ⊢ (𝜑 → 0 ∈ ℤ)
3		geolim.1	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℂ)
4		geolim.2	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (abs‘𝐴) < 1)
5	3, 4	expcnv 16062	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐴↑𝑛)) ⇝ 0)
6		ax-1cn 11285	. . . . . . 7 ⊢ 1 ∈ ℂ
7		subcl 11583	. . . . . . 7 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ) → (1 − 𝐴) ∈ ℂ)
8	6, 3, 7	sylancr 599	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (1 − 𝐴) ∈ ℂ)
9		1re 11335	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ 1 ∈ ℝ
10	9	ltnri 11446	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ¬ 1 < 1
11		fveq2 6908	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝐴 = 1 → (abs‘𝐴) = (abs‘1))
12		abs1 15493	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (abs‘1) = 1
13	11, 12	eqtrdi 2814	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝐴 = 1 → (abs‘𝐴) = 1)
14	13	breq1d 5116	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 = 1 → ((abs‘𝐴) < 1 ↔ 1 < 1))
15	10, 14	mtbiri 330	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 = 1 → ¬ (abs‘𝐴) < 1)
16	15	necon2ai 2988	. . . . . . . . 9 ⊢ ((abs‘𝐴) < 1 → 𝐴 ≠ 1)
17	4, 16	syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ≠ 1)
18	17	necomd 3014	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 1 ≠ 𝐴)
19		subeq0 11611	. . . . . . . . 9 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ) → ((1 − 𝐴) = 0 ↔ 1 = 𝐴))
20	6, 3, 19	sylancr 599	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((1 − 𝐴) = 0 ↔ 1 = 𝐴))
21	20	necon3bid 3003	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((1 − 𝐴) ≠ 0 ↔ 1 ≠ 𝐴))
22	18, 21	mpbird 260	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (1 − 𝐴) ≠ 0)
23	3, 8, 22	divcld 12120	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐴 / (1 − 𝐴)) ∈ ℂ)
24		nn0ex 12639	. . . . . . 7 ⊢ ℕ0 ∈ V
25	24	mptex 7252	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴))) ∈ V
26	25	a1i 11	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴))) ∈ V)
27		oveq2 7451	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 = 𝑗 → (𝐴↑𝑛) = (𝐴↑𝑗))
28		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐴↑𝑛)) = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐴↑𝑛))
29		ovex 7476	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴↑𝑗) ∈ V
30	27, 28, 29	fvmpt 7016	. . . . . . 7 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ0 → ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐴↑𝑛))‘𝑗) = (𝐴↑𝑗))
31	30	adantl 487	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐴↑𝑛))‘𝑗) = (𝐴↑𝑗))
32		expcl 14249	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (𝐴↑𝑗) ∈ ℂ)
33	3, 32	sylan 592	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (𝐴↑𝑗) ∈ ℂ)
34	31, 33	eqeltrd 2864	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐴↑𝑛))‘𝑗) ∈ ℂ)
35		expp1 14238	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (𝐴↑(𝑗 + 1)) = ((𝐴↑𝑗) · 𝐴))
36	3, 35	sylan 592	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (𝐴↑(𝑗 + 1)) = ((𝐴↑𝑗) · 𝐴))
37	3	adantr 486	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → 𝐴 ∈ ℂ)
38	33, 37	mulcomd 11357	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝐴↑𝑗) · 𝐴) = (𝐴 · (𝐴↑𝑗)))
39	36, 38	eqtrd 2798	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (𝐴↑(𝑗 + 1)) = (𝐴 · (𝐴↑𝑗)))
40	39	oveq1d 7458	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝐴↑(𝑗 + 1)) / (1 − 𝐴)) = ((𝐴 · (𝐴↑𝑗)) / (1 − 𝐴)))
41	8	adantr 486	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (1 − 𝐴) ∈ ℂ)
42	22	adantr 486	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (1 − 𝐴) ≠ 0)
43	37, 33, 41, 42	div23d 12157	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝐴 · (𝐴↑𝑗)) / (1 − 𝐴)) = ((𝐴 / (1 − 𝐴)) · (𝐴↑𝑗)))
44	40, 43	eqtrd 2798	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝐴↑(𝑗 + 1)) / (1 − 𝐴)) = ((𝐴 / (1 − 𝐴)) · (𝐴↑𝑗)))
45		oveq1 7450	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 = 𝑗 → (𝑛 + 1) = (𝑗 + 1))
46	45	oveq2d 7459	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 = 𝑗 → (𝐴↑(𝑛 + 1)) = (𝐴↑(𝑗 + 1)))
47	46	oveq1d 7458	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 = 𝑗 → ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴)) = ((𝐴↑(𝑗 + 1)) / (1 − 𝐴)))
48		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴))) = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴)))
49		ovex 7476	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴↑(𝑗 + 1)) / (1 − 𝐴)) ∈ V
50	47, 48, 49	fvmpt 7016	. . . . . . 7 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ0 → ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴)))‘𝑗) = ((𝐴↑(𝑗 + 1)) / (1 − 𝐴)))
51	50	adantl 487	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴)))‘𝑗) = ((𝐴↑(𝑗 + 1)) / (1 − 𝐴)))
52	31	oveq2d 7459	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝐴 / (1 − 𝐴)) · ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐴↑𝑛))‘𝑗)) = ((𝐴 / (1 − 𝐴)) · (𝐴↑𝑗)))
53	44, 51, 52	3eqtr4d 2808	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴)))‘𝑗) = ((𝐴 / (1 − 𝐴)) · ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (𝐴↑𝑛))‘𝑗)))
54	1, 2, 5, 23, 26, 34, 53	climmulc2 15833	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴))) ⇝ ((𝐴 / (1 − 𝐴)) · 0))
55	23	mul01d 11536	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((𝐴 / (1 − 𝐴)) · 0) = 0)
56	54, 55	breqtrd 5134	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴))) ⇝ 0)
57	8, 22	reccld 12113	. . 3 ⊢ (𝜑 → (1 / (1 − 𝐴)) ∈ ℂ)
58		seqex 14173	. . . 4 ⊢ seq0( + , 𝐹) ∈ V
59	58	a1i 11	. . 3 ⊢ (𝜑 → seq0( + , 𝐹) ∈ V)
60		peano2nn0 12673	. . . . . 6 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ0 → (𝑗 + 1) ∈ ℕ0)
61		expcl 14249	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ (𝑗 + 1) ∈ ℕ0) → (𝐴↑(𝑗 + 1)) ∈ ℂ)
62	3, 60, 61	syl2an 608	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (𝐴↑(𝑗 + 1)) ∈ ℂ)
63	62, 41, 42	divcld 12120	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝐴↑(𝑗 + 1)) / (1 − 𝐴)) ∈ ℂ)
64	51, 63	eqeltrd 2864	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴)))‘𝑗) ∈ ℂ)
65		nn0cn 12643	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑗 ∈ ℕ0 → 𝑗 ∈ ℂ)
66	65	adantl 487	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → 𝑗 ∈ ℂ)
67		pncan 11590	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑗 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑗 + 1) − 1) = 𝑗)
68	66, 6, 67	sylancl 598	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((𝑗 + 1) − 1) = 𝑗)
69	68	oveq2d 7459	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (0...((𝑗 + 1) − 1)) = (0...𝑗))
70	69	sumeq1d 15896	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → Σ𝑘 ∈ (0...((𝑗 + 1) − 1))(𝐴↑𝑘) = Σ𝑘 ∈ (0...𝑗)(𝐴↑𝑘))
71	6	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → 1 ∈ ℂ)
72	71, 62, 41, 42	divsubdird 12159	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((1 − (𝐴↑(𝑗 + 1))) / (1 − 𝐴)) = ((1 / (1 − 𝐴)) − ((𝐴↑(𝑗 + 1)) / (1 − 𝐴))))
73	17	adantr 486	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → 𝐴 ≠ 1)
74	60	adantl 487	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (𝑗 + 1) ∈ ℕ0)
75	37, 73, 74	geoser 16065	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → Σ𝑘 ∈ (0...((𝑗 + 1) − 1))(𝐴↑𝑘) = ((1 − (𝐴↑(𝑗 + 1))) / (1 − 𝐴)))
76	51	oveq2d 7459	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → ((1 / (1 − 𝐴)) − ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴)))‘𝑗)) = ((1 / (1 − 𝐴)) − ((𝐴↑(𝑗 + 1)) / (1 − 𝐴))))
77	72, 75, 76	3eqtr4d 2808	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → Σ𝑘 ∈ (0...((𝑗 + 1) − 1))(𝐴↑𝑘) = ((1 / (1 − 𝐴)) − ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴)))‘𝑗)))
78		simpll 779	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) ∧ 𝑘 ∈ (0...𝑗)) → 𝜑)
79		elfznn0 13781	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ (0...𝑗) → 𝑘 ∈ ℕ0)
80	79	adantl 487	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) ∧ 𝑘 ∈ (0...𝑗)) → 𝑘 ∈ ℕ0)
81		geolim.3	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → (𝐹‘𝑘) = (𝐴↑𝑘))
82	78, 80, 81	syl2anc 596	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) ∧ 𝑘 ∈ (0...𝑗)) → (𝐹‘𝑘) = (𝐴↑𝑘))
83		simpr 490	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → 𝑗 ∈ ℕ0)
84	83, 1	eleqtrdi 2874	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → 𝑗 ∈ (ℤ≥‘0))
85	78, 3	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) ∧ 𝑘 ∈ (0...𝑗)) → 𝐴 ∈ ℂ)
86	85, 80	expcld 14316	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) ∧ 𝑘 ∈ (0...𝑗)) → (𝐴↑𝑘) ∈ ℂ)
87	82, 84, 86	fsumser 15925	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → Σ𝑘 ∈ (0...𝑗)(𝐴↑𝑘) = (seq0( + , 𝐹)‘𝑗))
88	70, 77, 87	3eqtr3rd 2807	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑗 ∈ ℕ0) → (seq0( + , 𝐹)‘𝑗) = ((1 / (1 − 𝐴)) − ((𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐴↑(𝑛 + 1)) / (1 − 𝐴)))‘𝑗)))
89	1, 2, 56, 57, 59, 64, 88	climsubc2 15835	. 2 ⊢ (𝜑 → seq0( + , 𝐹) ⇝ ((1 / (1 − 𝐴)) − 0))
90	57	subid1d 11685	. 2 ⊢ (𝜑 → ((1 / (1 − 𝐴)) − 0) = (1 / (1 − 𝐴)))
91	89, 90	breqtrd 5134	1 ⊢ (𝜑 → seq0( + , 𝐹) ⇝ (1 / (1 − 𝐴)))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   = wceq 1570   ∈ wcel 2147   ≠ wne 2959  Vcvv 3454   class class class wbr 5106   ↦ cmpt 5189  ‘cfv 6558  (class class class)co 7443  ℂcc 11225  0cc0 11227  1c1 11228   + caddc 11230   · cmul 11232   < clt 11370   − cmin 11568   / cdiv 12000  ℕ₀cn0 12633  ℤ_≥cuz 12992  ...cfz 13666  seqcseq 14171  ↑cexp 14231  abscabs 15430   ⇝ cli 15680  Σcsu 15882

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1945  ax-6 2002  ax-7 2043  ax-8 2149  ax-9 2157  ax-10 2180  ax-11 2197  ax-12 2216  ax-ext 2735  ax-rep 5235  ax-sep 5252  ax-nul 5263  ax-pow 5331  ax-pr 5395  ax-un 7775  ax-inf2 9669  ax-cnex 11283  ax-resscn 11284  ax-1cn 11285  ax-icn 11286  ax-addcl 11287  ax-addrcl 11288  ax-mulcl 11289  ax-mulrcl 11290  ax-mulcom 11291  ax-addass 11292  ax-mulass 11293  ax-distr 11294  ax-i2m1 11295  ax-1ne0 11296  ax-1rid 11297  ax-rnegex 11298  ax-rrecex 11299  ax-cnre 11300  ax-pre-lttri 11301  ax-pre-lttrn 11302  ax-pre-ltadd 11303  ax-pre-mulgt0 11304  ax-pre-sup 11305

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2102  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2839  df-nfc 2913  df-ne 2960  df-nel 3066  df-ral 3081  df-rex 3091  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3456  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-ss 3901  df-pss 4017  df-dif 4050  df-in 4094  df-un 4154  df-nul 4282  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4589  df-pr 4591  df-op 4839  df-uni 4871  df-int 4911  df-iun 4956  df-br 5107  df-opab 5171  df-mpt 5190  df-tr 5216  df-id 5550  df-eprel 5555  df-po 5563  df-so 5564  df-fr 5608  df-se 5609  df-we 5610  df-xp 5661  df-rel 5662  df-cnv 5663  df-co 5664  df-dm 5665  df-rn 5666  df-res 5667  df-ima 5668  df-pred 6322  df-ord 6383  df-on 6384  df-lim 6385  df-suc 6386  df-iota 6512  df-fun 6560  df-fn 6561  df-f 6562  df-f1 6563  df-fo 6564  df-f1o 6565  df-fv 6566  df-isom 6567  df-riota 7400  df-ov 7446  df-oprab 7447  df-mpo 7448  df-om 7902  df-1st 8025  df-2nd 8026  df-frecs 8327  df-wrecs 8358  df-recs 8407  df-rdg 8446  df-1o 8504  df-er 8745  df-pm 8878  df-en 9002  df-dom 9003  df-sdom 9004  df-fin 9005  df-sup 9461  df-inf 9462  df-oi 9531  df-card 10047  df-pnf 11372  df-mnf 11373  df-xr 11374  df-ltxr 11375  df-le 11376  df-sub 11570  df-neg 11571  df-div 12001  df-nn 12363  df-2 12432  df-3 12433  df-n0 12634  df-z 12721  df-uz 12993  df-rp 13148  df-fz 13667  df-fzo 13816  df-fl 13959  df-seq 14172  df-exp 14232  df-hash 14502  df-cj 15295  df-re 15296  df-im 15297  df-sqrt 15431  df-abs 15432  df-clim 15684  df-rlim 15685  df-sum 15883

This theorem is used by:  geolim2  16069  georeclim  16070  geomulcvg  16074  geoisum  16075  cvgrat  16081  eflegeo  16318  geolim3  26696  abelthlem5  26792  logtayllem  27017  zetacvg  27372  knoppcnlem6  37542