Theorem musumsum 27102

Description: Evaluate a collapsing sum over the Möbius function. (Contributed by Mario Carneiro, 4-May-2016.)

Hypotheses

Ref	Expression
musumsum.1	⊢ (𝑚 = 1 → 𝐵 = 𝐶)
musumsum.2	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ Fin)
musumsum.3	⊢ (𝜑 → 𝐴 ⊆ ℕ)
musumsum.4	⊢ (𝜑 → 1 ∈ 𝐴)
musumsum.5	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → 𝐵 ∈ ℂ)

Assertion

Ref	Expression
musumsum	⊢ (𝜑 → Σ𝑚 ∈ 𝐴 Σ𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} ((μ‘𝑘) · 𝐵) = 𝐶)

Distinct variable groups:   𝑘,𝑚,𝐴   𝑘,𝑛,𝑚   𝜑,𝑘,𝑚   𝐵,𝑘   𝐶,𝑚

Allowed substitution hints:   𝜑(𝑛)   𝐴(𝑛)   𝐵(𝑚,𝑛)   𝐶(𝑘,𝑛)

Proof of Theorem musumsum

Step	Hyp	Ref	Expression
1		musumsum.3	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ⊆ ℕ)
2	1	sselda 3946	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → 𝑚 ∈ ℕ)
3		musum 27101	. . . . . 6 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} (μ‘𝑘) = if(𝑚 = 1, 1, 0))
4	2, 3	syl 17	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → Σ𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} (μ‘𝑘) = if(𝑚 = 1, 1, 0))
5	4	oveq1d 7402	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → (Σ𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} (μ‘𝑘) · 𝐵) = (if(𝑚 = 1, 1, 0) · 𝐵))
6		fzfid 13938	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → (1...𝑚) ∈ Fin)
7		dvdsssfz1 16288	. . . . . . 7 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} ⊆ (1...𝑚))
8	2, 7	syl 17	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} ⊆ (1...𝑚))
9	6, 8	ssfid 9212	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} ∈ Fin)
10		musumsum.5	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → 𝐵 ∈ ℂ)
11		elrabi 3654	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} → 𝑘 ∈ ℕ)
12		mucl 27051	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ ℕ → (μ‘𝑘) ∈ ℤ)
13	11, 12	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} → (μ‘𝑘) ∈ ℤ)
14	13	zcnd 12639	. . . . . 6 ⊢ (𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} → (μ‘𝑘) ∈ ℂ)
15	14	adantl 481	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) ∧ 𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚}) → (μ‘𝑘) ∈ ℂ)
16	9, 10, 15	fsummulc1 15751	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → (Σ𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} (μ‘𝑘) · 𝐵) = Σ𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} ((μ‘𝑘) · 𝐵))
17		ovif 7487	. . . . 5 ⊢ (if(𝑚 = 1, 1, 0) · 𝐵) = if(𝑚 = 1, (1 · 𝐵), (0 · 𝐵))
18		velsn 4605	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑚 ∈ {1} ↔ 𝑚 = 1)
19	18	bicomi 224	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑚 = 1 ↔ 𝑚 ∈ {1})
20	19	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ (𝐵 ∈ ℂ → (𝑚 = 1 ↔ 𝑚 ∈ {1}))
21		mullid 11173	. . . . . . 7 ⊢ (𝐵 ∈ ℂ → (1 · 𝐵) = 𝐵)
22		mul02 11352	. . . . . . 7 ⊢ (𝐵 ∈ ℂ → (0 · 𝐵) = 0)
23	20, 21, 22	ifbieq12d 4517	. . . . . 6 ⊢ (𝐵 ∈ ℂ → if(𝑚 = 1, (1 · 𝐵), (0 · 𝐵)) = if(𝑚 ∈ {1}, 𝐵, 0))
24	10, 23	syl 17	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → if(𝑚 = 1, (1 · 𝐵), (0 · 𝐵)) = if(𝑚 ∈ {1}, 𝐵, 0))
25	17, 24	eqtrid 2776	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → (if(𝑚 = 1, 1, 0) · 𝐵) = if(𝑚 ∈ {1}, 𝐵, 0))
26	5, 16, 25	3eqtr3d 2772	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ 𝐴) → Σ𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} ((μ‘𝑘) · 𝐵) = if(𝑚 ∈ {1}, 𝐵, 0))
27	26	sumeq2dv 15668	. 2 ⊢ (𝜑 → Σ𝑚 ∈ 𝐴 Σ𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} ((μ‘𝑘) · 𝐵) = Σ𝑚 ∈ 𝐴 if(𝑚 ∈ {1}, 𝐵, 0))
28		musumsum.4	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ 𝐴)
29	28	snssd 4773	. . 3 ⊢ (𝜑 → {1} ⊆ 𝐴)
30	29	sselda 3946	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ {1}) → 𝑚 ∈ 𝐴)
31	30, 10	syldan 591	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑚 ∈ {1}) → 𝐵 ∈ ℂ)
32	31	ralrimiva 3125	. . 3 ⊢ (𝜑 → ∀𝑚 ∈ {1}𝐵 ∈ ℂ)
33		musumsum.2	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ Fin)
34	33	olcd 874	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐴 ⊆ (ℤ≥‘1) ∨ 𝐴 ∈ Fin))
35		sumss2 15692	. . 3 ⊢ ((({1} ⊆ 𝐴 ∧ ∀𝑚 ∈ {1}𝐵 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ⊆ (ℤ≥‘1) ∨ 𝐴 ∈ Fin)) → Σ𝑚 ∈ {1}𝐵 = Σ𝑚 ∈ 𝐴 if(𝑚 ∈ {1}, 𝐵, 0))
36	29, 32, 34, 35	syl21anc 837	. 2 ⊢ (𝜑 → Σ𝑚 ∈ {1}𝐵 = Σ𝑚 ∈ 𝐴 if(𝑚 ∈ {1}, 𝐵, 0))
37		musumsum.1	. . . . 5 ⊢ (𝑚 = 1 → 𝐵 = 𝐶)
38	37	eleq1d 2813	. . . 4 ⊢ (𝑚 = 1 → (𝐵 ∈ ℂ ↔ 𝐶 ∈ ℂ))
39	10	ralrimiva 3125	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ∀𝑚 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ ℂ)
40	38, 39, 28	rspcdva 3589	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ℂ)
41	37	sumsn 15712	. . 3 ⊢ ((1 ∈ 𝐴 ∧ 𝐶 ∈ ℂ) → Σ𝑚 ∈ {1}𝐵 = 𝐶)
42	28, 40, 41	syl2anc 584	. 2 ⊢ (𝜑 → Σ𝑚 ∈ {1}𝐵 = 𝐶)
43	27, 36, 42	3eqtr2d 2770	1 ⊢ (𝜑 → Σ𝑚 ∈ 𝐴 Σ𝑘 ∈ {𝑛 ∈ ℕ ∣ 𝑛 ∥ 𝑚} ((μ‘𝑘) · 𝐵) = 𝐶)

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 206   ∧ wa 395   ∨ wo 847   = wceq 1540   ∈ wcel 2109  ∀wral 3044  {crab 3405   ⊆ wss 3914  ifcif 4488  {csn 4589   class class class wbr 5107  ‘cfv 6511  (class class class)co 7387  Fincfn 8918  ℂcc 11066  0cc0 11068  1c1 11069   · cmul 11073  ℕcn 12186  ℤcz 12529  ℤ_≥cuz 12793  ...cfz 13468  Σcsu 15652   ∥ cdvds 16222  μcmu 27005

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1795  ax-4 1809  ax-5 1910  ax-6 1967  ax-7 2008  ax-8 2111  ax-9 2119  ax-10 2142  ax-11 2158  ax-12 2178  ax-ext 2701  ax-rep 5234  ax-sep 5251  ax-nul 5261  ax-pow 5320  ax-pr 5387  ax-un 7711  ax-inf2 9594  ax-cnex 11124  ax-resscn 11125  ax-1cn 11126  ax-icn 11127  ax-addcl 11128  ax-addrcl 11129  ax-mulcl 11130  ax-mulrcl 11131  ax-mulcom 11132  ax-addass 11133  ax-mulass 11134  ax-distr 11135  ax-i2m1 11136  ax-1ne0 11137  ax-1rid 11138  ax-rnegex 11139  ax-rrecex 11140  ax-cnre 11141  ax-pre-lttri 11142  ax-pre-lttrn 11143  ax-pre-ltadd 11144  ax-pre-mulgt0 11145  ax-pre-sup 11146

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2066  df-mo 2533  df-eu 2562  df-clab 2708  df-cleq 2721  df-clel 2803  df-nfc 2878  df-ne 2926  df-nel 3030  df-ral 3045  df-rex 3054  df-rmo 3354  df-reu 3355  df-rab 3406  df-v 3449  df-sbc 3754  df-csb 3863  df-dif 3917  df-un 3919  df-in 3921  df-ss 3931  df-pss 3934  df-nul 4297  df-if 4489  df-pw 4565  df-sn 4590  df-pr 4592  df-op 4596  df-uni 4872  df-int 4911  df-iun 4957  df-disj 5075  df-br 5108  df-opab 5170  df-mpt 5189  df-tr 5215  df-id 5533  df-eprel 5538  df-po 5546  df-so 5547  df-fr 5591  df-se 5592  df-we 5593  df-xp 5644  df-rel 5645  df-cnv 5646  df-co 5647  df-dm 5648  df-rn 5649  df-res 5650  df-ima 5651  df-pred 6274  df-ord 6335  df-on 6336  df-lim 6337  df-suc 6338  df-iota 6464  df-fun 6513  df-fn 6514  df-f 6515  df-f1 6516  df-fo 6517  df-f1o 6518  df-fv 6519  df-isom 6520  df-riota 7344  df-ov 7390  df-oprab 7391  df-mpo 7392  df-om 7843  df-1st 7968  df-2nd 7969  df-frecs 8260  df-wrecs 8291  df-recs 8340  df-rdg 8378  df-1o 8434  df-2o 8435  df-oadd 8438  df-er 8671  df-map 8801  df-en 8919  df-dom 8920  df-sdom 8921  df-fin 8922  df-sup 9393  df-inf 9394  df-oi 9463  df-dju 9854  df-card 9892  df-pnf 11210  df-mnf 11211  df-xr 11212  df-ltxr 11213  df-le 11214  df-sub 11407  df-neg 11408  df-div 11836  df-nn 12187  df-2 12249  df-3 12250  df-n0 12443  df-xnn0 12516  df-z 12530  df-uz 12794  df-q 12908  df-rp 12952  df-fz 13469  df-fzo 13616  df-fl 13754  df-mod 13832  df-seq 13967  df-exp 14027  df-fac 14239  df-bc 14268  df-hash 14296  df-cj 15065  df-re 15066  df-im 15067  df-sqrt 15201  df-abs 15202  df-clim 15454  df-sum 15653  df-dvds 16223  df-gcd 16465  df-prm 16642  df-pc 16808  df-mu 27011

This theorem is referenced by:  dchrmusum2  27405  dchrvmasum2lem  27407  mudivsum  27441  mulogsum  27443  mulog2sumlem2  27446