Theorem sge0reuzb 46902

Description: Value of the generalized sum of uniformly bounded nonnegative reals, when the domain is a set of upper integers. (Contributed by Glauco Siliprandi, 8-Apr-2021.)

Hypotheses

Ref	Expression
sge0reuzb.k	⊢ Ⅎ𝑘𝜑
sge0reuzb.p	⊢ Ⅎ𝑥𝜑
sge0reuzb.m	⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℤ)
sge0reuzb.z	⊢ 𝑍 = (ℤ≥‘𝑀)
sge0reuzb.b	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ 𝑍) → 𝐵 ∈ (0[,)+∞))
sge0reuzb.x	⊢ (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥)

Assertion

Ref	Expression
sge0reuzb	⊢ (𝜑 → (Σ^‘(𝑘 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)) = sup(ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵), ℝ, < ))

Distinct variable groups:   𝐵,𝑛,𝑥   𝑘,𝑀,𝑛,𝑥   𝑘,𝑍,𝑛,𝑥   𝜑,𝑛

Allowed substitution hints:   𝜑(𝑥,𝑘)   𝐵(𝑘)

Proof of Theorem sge0reuzb

Dummy variable 𝑦 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		sge0reuzb.k	. . 3 ⊢ Ⅎ𝑘𝜑
2		sge0reuzb.m	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℤ)
3		sge0reuzb.z	. . 3 ⊢ 𝑍 = (ℤ≥‘𝑀)
4		sge0reuzb.b	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ 𝑍) → 𝐵 ∈ (0[,)+∞))
5	1, 2, 3, 4	sge0reuz 46901	. 2 ⊢ (𝜑 → (Σ^‘(𝑘 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)) = sup(ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵), ℝ*, < ))
6		nfv 1916	. . . 4 ⊢ Ⅎ𝑛𝜑
7		eqid 2737	. . . 4 ⊢ (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) = (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)
8		nfv 1916	. . . . . 6 ⊢ Ⅎ𝑘 𝑛 ∈ 𝑍
9	1, 8	nfan 1901	. . . . 5 ⊢ Ⅎ𝑘(𝜑 ∧ 𝑛 ∈ 𝑍)
10		fzfid 13932	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ 𝑍) → (𝑀...𝑛) ∈ Fin)
11		elfzuz 13471	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ (𝑀...𝑛) → 𝑘 ∈ (ℤ≥‘𝑀))
12	11, 3	eleqtrrdi 2848	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑘 ∈ (𝑀...𝑛) → 𝑘 ∈ 𝑍)
13	12	adantl 481	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)) → 𝑘 ∈ 𝑍)
14		rge0ssre 13406	. . . . . . . 8 ⊢ (0[,)+∞) ⊆ ℝ
15	14, 4	sselid 3920	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ 𝑍) → 𝐵 ∈ ℝ)
16	13, 15	syldan 592	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)) → 𝐵 ∈ ℝ)
17	16	adantlr 716	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ 𝑍) ∧ 𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)) → 𝐵 ∈ ℝ)
18	9, 10, 17	fsumreclf 46032	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑛 ∈ 𝑍) → Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ∈ ℝ)
19	6, 7, 18	rnmptssd 7074	. . 3 ⊢ (𝜑 → ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) ⊆ ℝ)
20		uzid 12800	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑀 ∈ ℤ → 𝑀 ∈ (ℤ≥‘𝑀))
21	2, 20	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ (ℤ≥‘𝑀))
22	21, 3	eleqtrrdi 2848	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ 𝑍)
23		eqidd 2738	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵)
24		oveq2 7372	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 = 𝑀 → (𝑀...𝑛) = (𝑀...𝑀))
25	24	sumeq1d 15659	. . . . . . 7 ⊢ (𝑛 = 𝑀 → Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵)
26	25	rspceeqv 3588	. . . . . 6 ⊢ ((𝑀 ∈ 𝑍 ∧ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵) → ∃𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)
27	22, 23, 26	syl2anc 585	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ∃𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)
28		sumex 15647	. . . . . 6 ⊢ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵 ∈ V
29	28	a1i 11	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵 ∈ V)
30	7, 27, 29	elrnmptd 5916	. . . 4 ⊢ (𝜑 → Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑀)𝐵 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵))
31	30	ne0d 4283	. . 3 ⊢ (𝜑 → ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) ≠ ∅)
32		sge0reuzb.x	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥)
33		sge0reuzb.p	. . . . 5 ⊢ Ⅎ𝑥𝜑
34		vex 3434	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ 𝑦 ∈ V
35	7	elrnmpt 5911	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑦 ∈ V → (𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) ↔ ∃𝑛 ∈ 𝑍 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵))
36	34, 35	ax-mp 5	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) ↔ ∃𝑛 ∈ 𝑍 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)
37	36	biimpi 216	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) → ∃𝑛 ∈ 𝑍 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)
38	37	adantl 481	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥) ∧ 𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)) → ∃𝑛 ∈ 𝑍 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)
39		nfv 1916	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ Ⅎ𝑛(𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ)
40		nfra1 3262	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ Ⅎ𝑛∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥
41	39, 40	nfan 1901	. . . . . . . . . . 11 ⊢ Ⅎ𝑛((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥)
42		nfv 1916	. . . . . . . . . . 11 ⊢ Ⅎ𝑛 𝑦 ≤ 𝑥
43		rspa 3227	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 ∧ 𝑛 ∈ 𝑍) → Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥)
44		simpr 484	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 ∧ 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) → 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)
45		simpl 482	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 ∧ 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) → Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥)
46	44, 45	eqbrtrd 5108	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 ∧ 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) → 𝑦 ≤ 𝑥)
47	46	ex 412	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 → (𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 → 𝑦 ≤ 𝑥))
48	43, 47	syl 17	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 ∧ 𝑛 ∈ 𝑍) → (𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 → 𝑦 ≤ 𝑥))
49	48	ex 412	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 → (𝑛 ∈ 𝑍 → (𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 → 𝑦 ≤ 𝑥)))
50	49	adantl 481	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥) → (𝑛 ∈ 𝑍 → (𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 → 𝑦 ≤ 𝑥)))
51	41, 42, 50	rexlimd 3245	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥) → (∃𝑛 ∈ 𝑍 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 → 𝑦 ≤ 𝑥))
52	51	adantr 480	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥) ∧ 𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)) → (∃𝑛 ∈ 𝑍 𝑦 = Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 → 𝑦 ≤ 𝑥))
53	38, 52	mpd 15	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥) ∧ 𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)) → 𝑦 ≤ 𝑥)
54	53	ralrimiva 3130	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥) → ∀𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)𝑦 ≤ 𝑥)
55	54	ex 412	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 → ∀𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)𝑦 ≤ 𝑥))
56	55	ex 412	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑥 ∈ ℝ → (∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 → ∀𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)𝑦 ≤ 𝑥)))
57	33, 56	reximdai 3240	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑛 ∈ 𝑍 Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵 ≤ 𝑥 → ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)𝑦 ≤ 𝑥))
58	32, 57	mpd 15	. . 3 ⊢ (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)𝑦 ≤ 𝑥)
59		supxrre 13276	. . 3 ⊢ ((ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) ⊆ ℝ ∧ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵) ≠ ∅ ∧ ∃𝑥 ∈ ℝ ∀𝑦 ∈ ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵)𝑦 ≤ 𝑥) → sup(ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵), ℝ*, < ) = sup(ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵), ℝ, < ))
60	19, 31, 58, 59	syl3anc 1374	. 2 ⊢ (𝜑 → sup(ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵), ℝ*, < ) = sup(ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵), ℝ, < ))
61	5, 60	eqtrd 2772	1 ⊢ (𝜑 → (Σ^‘(𝑘 ∈ 𝑍 ↦ 𝐵)) = sup(ran (𝑛 ∈ 𝑍 ↦ Σ𝑘 ∈ (𝑀...𝑛)𝐵), ℝ, < ))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 206   ∧ wa 395   = wceq 1542  Ⅎwnf 1785   ∈ wcel 2114   ≠ wne 2933  ∀wral 3052  ∃wrex 3062  Vcvv 3430   ⊆ wss 3890  ∅c0 4274   class class class wbr 5086   ↦ cmpt 5167  ran crn 5629  ‘cfv 6496  (class class class)co 7364  supcsup 9350  ℝcr 11034  0cc0 11035  +∞cpnf 11173  ℝ^*cxr 11175   < clt 11176   ≤ cle 11177  ℤcz 12521  ℤ_≥cuz 12785  [,)cico 13297  ...cfz 13458  Σcsu 15645  Σ^{^}csumge0 46816

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1912  ax-6 1969  ax-7 2010  ax-8 2116  ax-9 2124  ax-10 2147  ax-11 2163  ax-12 2185  ax-ext 2709  ax-rep 5213  ax-sep 5232  ax-nul 5242  ax-pow 5306  ax-pr 5374  ax-un 7686  ax-inf2 9559  ax-cnex 11091  ax-resscn 11092  ax-1cn 11093  ax-icn 11094  ax-addcl 11095  ax-addrcl 11096  ax-mulcl 11097  ax-mulrcl 11098  ax-mulcom 11099  ax-addass 11100  ax-mulass 11101  ax-distr 11102  ax-i2m1 11103  ax-1ne0 11104  ax-1rid 11105  ax-rnegex 11106  ax-rrecex 11107  ax-cnre 11108  ax-pre-lttri 11109  ax-pre-lttrn 11110  ax-pre-ltadd 11111  ax-pre-mulgt0 11112  ax-pre-sup 11113

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 849  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2069  df-mo 2540  df-eu 2570  df-clab 2716  df-cleq 2729  df-clel 2812  df-nfc 2886  df-ne 2934  df-nel 3038  df-ral 3053  df-rex 3063  df-rmo 3343  df-reu 3344  df-rab 3391  df-v 3432  df-sbc 3730  df-csb 3839  df-dif 3893  df-un 3895  df-in 3897  df-ss 3907  df-pss 3910  df-nul 4275  df-if 4468  df-pw 4544  df-sn 4569  df-pr 4571  df-op 4575  df-uni 4852  df-int 4891  df-iun 4936  df-br 5087  df-opab 5149  df-mpt 5168  df-tr 5194  df-id 5523  df-eprel 5528  df-po 5536  df-so 5537  df-fr 5581  df-se 5582  df-we 5583  df-xp 5634  df-rel 5635  df-cnv 5636  df-co 5637  df-dm 5638  df-rn 5639  df-res 5640  df-ima 5641  df-pred 6263  df-ord 6324  df-on 6325  df-lim 6326  df-suc 6327  df-iota 6452  df-fun 6498  df-fn 6499  df-f 6500  df-f1 6501  df-fo 6502  df-f1o 6503  df-fv 6504  df-isom 6505  df-riota 7321  df-ov 7367  df-oprab 7368  df-mpo 7369  df-om 7815  df-1st 7939  df-2nd 7940  df-frecs 8228  df-wrecs 8259  df-recs 8308  df-rdg 8346  df-1o 8402  df-er 8640  df-en 8891  df-dom 8892  df-sdom 8893  df-fin 8894  df-sup 9352  df-oi 9422  df-card 9860  df-pnf 11178  df-mnf 11179  df-xr 11180  df-ltxr 11181  df-le 11182  df-sub 11376  df-neg 11377  df-div 11805  df-nn 12172  df-2 12241  df-3 12242  df-n0 12435  df-z 12522  df-uz 12786  df-rp 12940  df-ico 13301  df-icc 13302  df-fz 13459  df-fzo 13606  df-seq 13961  df-exp 14021  df-hash 14290  df-cj 15058  df-re 15059  df-im 15060  df-sqrt 15194  df-abs 15195  df-clim 15447  df-sum 15646  df-sumge0 46817

This theorem is referenced by:  meaiuninclem  46934