Metamath Proof Explorer


Theorem gsummulsubdishift1

Description: Distribute a subtraction over an indexed sum, shift one of the resulting sums, and regroup terms. (Contributed by Thierry Arnoux, 15-Feb-2026)

Ref Expression
Hypotheses gsummulsubdishift.b ⊢ B = Base R
gsummulsubdishift.p ⊢ + ˙ = + R
gsummulsubdishift.m ⊢ - ˙ = - R
gsummulsubdishift.t ⊢ · ˙ = ⋅ R
gsummulsubdishift.r ⊢ φ → R ∈ Ring
gsummulsubdishift.a ⊢ φ → A ∈ B
gsummulsubdishift.c ⊢ φ → C ∈ B
gsummulsubdishift.n ⊢ φ → N ∈ ℕ 0
gsummulsubdishift.d ⊢ φ → D : 0 … N ⟶ B
gsummulsubdishift1.e ⊢ φ → E = D ⁡ N · ˙ A - ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
gsummulsubdishift1.f ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → F = D ⁡ k · ˙ A - ˙ D ⁡ k + 1 · ˙ C
Assertion gsummulsubdishift1 ⊢ φ → ∑ R D · ˙ A - ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N F + ˙ E

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 gsummulsubdishift.b ⊢ B = Base R
2 gsummulsubdishift.p ⊢ + ˙ = + R
3 gsummulsubdishift.m ⊢ - ˙ = - R
4 gsummulsubdishift.t ⊢ · ˙ = ⋅ R
5 gsummulsubdishift.r ⊢ φ → R ∈ Ring
6 gsummulsubdishift.a ⊢ φ → A ∈ B
7 gsummulsubdishift.c ⊢ φ → C ∈ B
8 gsummulsubdishift.n ⊢ φ → N ∈ ℕ 0
9 gsummulsubdishift.d ⊢ φ → D : 0 … N ⟶ B
10 gsummulsubdishift1.e ⊢ φ → E = D ⁡ N · ˙ A - ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
11 gsummulsubdishift1.f ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → F = D ⁡ k · ˙ A - ˙ D ⁡ k + 1 · ˙ C
12 5 ringcmnd ⊢ φ → R ∈ CMnd
13 fzfid ⊢ φ → 0 … N ∈ Fin
14 9 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ k ∈ 0 … N → D ⁡ k ∈ B
15 14 ralrimiva ⊢ φ → ∀ k ∈ 0 … N D ⁡ k ∈ B
16 1 12 13 15 gsummptcl ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k ∈ B
17 1 4 3 5 16 6 7 ringsubdi ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ A - ˙ C = ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ A - ˙ ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ C
18 nn0uz ⊢ ℕ 0 = ℤ ≥ 0
19 8 18 eleqtrdi ⊢ φ → N ∈ ℤ ≥ 0
20 fzisfzounsn ⊢ N ∈ ℤ ≥ 0 → 0 … N = 0 ..^ N ∪ N
21 19 20 syl ⊢ φ → 0 … N = 0 ..^ N ∪ N
22 21 mpteq1d ⊢ φ → k ∈ 0 … N ⟼ D ⁡ k · ˙ A = k ∈ 0 ..^ N ∪ N ⟼ D ⁡ k · ˙ A
23 22 oveq2d ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ A = ∑ R k ∈ 0 ..^ N ∪ N D ⁡ k · ˙ A
24 eqid ⊢ 0 R = 0 R
25 eqid ⊢ k ∈ 0 … N ⟼ D ⁡ k = k ∈ 0 … N ⟼ D ⁡ k
26 fvexd ⊢ φ → 0 R ∈ V
27 25 13 14 26 fsuppmptdm ⊢ φ → finSupp 0 R⁡ k ∈ 0 … N ⟼ D ⁡ k
28 1 24 4 5 13 6 14 27 gsummulc1 ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ A = ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ A
29 fzofi ⊢ 0 ..^ N ∈ Fin
30 29 a1i ⊢ φ → 0 ..^ N ∈ Fin
31 5 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → R ∈ Ring
32 fzossfz ⊢ 0 ..^ N ⊆ 0 … N
33 32 a1i ⊢ φ → 0 ..^ N ⊆ 0 … N
34 33 sselda ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → k ∈ 0 … N
35 34 14 syldan ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → D ⁡ k ∈ B
36 6 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → A ∈ B
37 1 4 31 35 36 ringcld ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → D ⁡ k · ˙ A ∈ B
38 fzonel ⊢ ¬ N ∈ 0 ..^ N
39 38 a1i ⊢ φ → ¬ N ∈ 0 ..^ N
40 nn0fz0 ⊢ N ∈ ℕ 0 ↔ N ∈ 0 … N
41 8 40 sylib ⊢ φ → N ∈ 0 … N
42 9 41 ffvelcdmd ⊢ φ → D ⁡ N ∈ B
43 1 4 5 42 6 ringcld ⊢ φ → D ⁡ N · ˙ A ∈ B
44 fveq2 ⊢ k = N → D ⁡ k = D ⁡ N
45 44 oveq1d ⊢ k = N → D ⁡ k · ˙ A = D ⁡ N · ˙ A
46 1 2 12 30 37 8 39 43 45 gsumunsn ⊢ φ → ∑ R k ∈ 0 ..^ N ∪ N D ⁡ k · ˙ A = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A + ˙ D ⁡ N · ˙ A
47 23 28 46 3eqtr3d ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ A = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A + ˙ D ⁡ N · ˙ A
48 1 24 4 5 13 7 14 27 gsummulc1 ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ C = ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ C
49 fz0sn0fz1 ⊢ N ∈ ℕ 0 → 0 … N = 0 ∪ 1 … N
50 8 49 syl ⊢ φ → 0 … N = 0 ∪ 1 … N
51 uncom ⊢ 1 … N ∪ 0 = 0 ∪ 1 … N
52 50 51 eqtr4di ⊢ φ → 0 … N = 1 … N ∪ 0
53 52 mpteq1d ⊢ φ → k ∈ 0 … N ⟼ D ⁡ k · ˙ C = k ∈ 1 … N ∪ 0 ⟼ D ⁡ k · ˙ C
54 53 oveq2d ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ C = ∑ R k ∈ 1 … N ∪ 0 D ⁡ k · ˙ C
55 fzfid ⊢ φ → 1 … N ∈ Fin
56 5 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → R ∈ Ring
57 fz1ssfz0 ⊢ 1 … N ⊆ 0 … N
58 57 a1i ⊢ φ → 1 … N ⊆ 0 … N
59 58 sselda ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → k ∈ 0 … N
60 59 14 syldan ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → D ⁡ k ∈ B
61 7 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → C ∈ B
62 1 4 56 60 61 ringcld ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → D ⁡ k · ˙ C ∈ B
63 c0ex ⊢ 0 ∈ V
64 63 a1i ⊢ φ → 0 ∈ V
65 0nnn ⊢ ¬ 0 ∈ ℕ
66 elfznn ⊢ 0 ∈ 1 … N → 0 ∈ ℕ
67 65 66 mto ⊢ ¬ 0 ∈ 1 … N
68 67 a1i ⊢ φ → ¬ 0 ∈ 1 … N
69 0elfz ⊢ N ∈ ℕ 0 → 0 ∈ 0 … N
70 8 69 syl ⊢ φ → 0 ∈ 0 … N
71 9 70 ffvelcdmd ⊢ φ → D ⁡ 0 ∈ B
72 1 4 5 71 7 ringcld ⊢ φ → D ⁡ 0 · ˙ C ∈ B
73 fveq2 ⊢ k = 0 → D ⁡ k = D ⁡ 0
74 73 oveq1d ⊢ k = 0 → D ⁡ k · ˙ C = D ⁡ 0 · ˙ C
75 1 2 12 55 62 64 68 72 74 gsumunsn ⊢ φ → ∑ R k ∈ 1 … N ∪ 0 D ⁡ k · ˙ C = ∑ R k = 1 N D ⁡ k · ˙ C + ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
76 nfcv ⊢ Ⅎ _ k D ⁡ l + 1 · ˙ C
77 fveq2 ⊢ k = l + 1 → D ⁡ k = D ⁡ l + 1
78 77 oveq1d ⊢ k = l + 1 → D ⁡ k · ˙ C = D ⁡ l + 1 · ˙ C
79 ssidd ⊢ φ → B ⊆ B
80 8 nn0zd ⊢ φ → N ∈ ℤ
81 fzoval ⊢ N ∈ ℤ → 0 ..^ N = 0 … N − 1
82 80 81 syl ⊢ φ → 0 ..^ N = 0 … N − 1
83 82 eleq2d ⊢ φ → l ∈ 0 ..^ N ↔ l ∈ 0 … N − 1
84 83 biimpar ⊢ φ ∧ l ∈ 0 … N − 1 → l ∈ 0 ..^ N
85 fz0add1fz1 ⊢ N ∈ ℕ 0 ∧ l ∈ 0 ..^ N → l + 1 ∈ 1 … N
86 8 84 85 syl2an2r ⊢ φ ∧ l ∈ 0 … N − 1 → l + 1 ∈ 1 … N
87 59 elfzelzd ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → k ∈ ℤ
88 80 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → N ∈ ℤ
89 simpr ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → k ∈ 1 … N
90 elfzm1b ⊢ k ∈ ℤ ∧ N ∈ ℤ → k ∈ 1 … N ↔ k − 1 ∈ 0 … N − 1
91 90 biimpa ⊢ k ∈ ℤ ∧ N ∈ ℤ ∧ k ∈ 1 … N → k − 1 ∈ 0 … N − 1
92 87 88 89 91 syl21anc ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → k − 1 ∈ 0 … N − 1
93 eqcom ⊢ l + 1 = k ↔ k = l + 1
94 elfznn0 ⊢ l ∈ 0 … N − 1 → l ∈ ℕ 0
95 94 nn0cnd ⊢ l ∈ 0 … N − 1 → l ∈ ℂ
96 95 adantl ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N ∧ l ∈ 0 … N − 1 → l ∈ ℂ
97 1cnd ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N ∧ l ∈ 0 … N − 1 → 1 ∈ ℂ
98 87 zcnd ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → k ∈ ℂ
99 98 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N ∧ l ∈ 0 … N − 1 → k ∈ ℂ
100 96 97 99 addlsub ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N ∧ l ∈ 0 … N − 1 → l + 1 = k ↔ l = k − 1
101 93 100 bitr3id ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N ∧ l ∈ 0 … N − 1 → k = l + 1 ↔ l = k − 1
102 92 101 reu6dv ⊢ φ ∧ k ∈ 1 … N → ∃! l ∈ 0 … N − 1 k = l + 1
103 76 1 24 78 12 55 79 62 86 102 gsummptf1o ⊢ φ → ∑ R k = 1 N D ⁡ k · ˙ C = ∑ R l = 0 N − 1 D ⁡ l + 1 · ˙ C
104 fvoveq1 ⊢ l = k → D ⁡ l + 1 = D ⁡ k + 1
105 104 oveq1d ⊢ l = k → D ⁡ l + 1 · ˙ C = D ⁡ k + 1 · ˙ C
106 105 cbvmptv ⊢ l ∈ 0 … N − 1 ⟼ D ⁡ l + 1 · ˙ C = k ∈ 0 … N − 1 ⟼ D ⁡ k + 1 · ˙ C
107 82 mpteq1d ⊢ φ → k ∈ 0 ..^ N ⟼ D ⁡ k + 1 · ˙ C = k ∈ 0 … N − 1 ⟼ D ⁡ k + 1 · ˙ C
108 106 107 eqtr4id ⊢ φ → l ∈ 0 … N − 1 ⟼ D ⁡ l + 1 · ˙ C = k ∈ 0 ..^ N ⟼ D ⁡ k + 1 · ˙ C
109 108 oveq2d ⊢ φ → ∑ R l = 0 N − 1 D ⁡ l + 1 · ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C
110 103 109 eqtrd ⊢ φ → ∑ R k = 1 N D ⁡ k · ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C
111 110 oveq1d ⊢ φ → ∑ R k = 1 N D ⁡ k · ˙ C + ˙ D ⁡ 0 · ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
112 54 75 111 3eqtrd ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
113 48 112 eqtr3d ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
114 47 113 oveq12d ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ A - ˙ ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A + ˙ D ⁡ N · ˙ A - ˙ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
115 5 ringabld ⊢ φ → R ∈ Abel
116 37 ralrimiva ⊢ φ → ∀ k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A ∈ B
117 1 12 30 116 gsummptcl ⊢ φ → ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A ∈ B
118 9 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → D : 0 … N ⟶ B
119 fz0add1fz1 ⊢ N ∈ ℕ 0 ∧ k ∈ 0 ..^ N → k + 1 ∈ 1 … N
120 8 119 sylan ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → k + 1 ∈ 1 … N
121 57 120 sselid ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → k + 1 ∈ 0 … N
122 118 121 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → D ⁡ k + 1 ∈ B
123 7 adantr ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → C ∈ B
124 1 4 31 122 123 ringcld ⊢ φ ∧ k ∈ 0 ..^ N → D ⁡ k + 1 · ˙ C ∈ B
125 124 ralrimiva ⊢ φ → ∀ k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C ∈ B
126 1 12 30 125 gsummptcl ⊢ φ → ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C ∈ B
127 1 2 3 ablsub4 ⊢ R ∈ Abel ∧ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A ∈ B ∧ D ⁡ N · ˙ A ∈ B ∧ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C ∈ B ∧ D ⁡ 0 · ˙ C ∈ B → ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A + ˙ D ⁡ N · ˙ A - ˙ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ 0 · ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A - ˙ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ N · ˙ A - ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
128 115 117 43 126 72 127 syl122anc ⊢ φ → ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A + ˙ D ⁡ N · ˙ A - ˙ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ 0 · ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A - ˙ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ N · ˙ A - ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
129 17 114 128 3eqtrd ⊢ φ → ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ A - ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A - ˙ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ N · ˙ A - ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
130 9 feqmptd ⊢ φ → D = k ∈ 0 … N ⟼ D ⁡ k
131 130 oveq2d ⊢ φ → ∑ R D = ∑ R k = 0 N D ⁡ k
132 131 oveq1d ⊢ φ → ∑ R D · ˙ A - ˙ C = ∑ R k = 0 N D ⁡ k · ˙ A - ˙ C
133 11 mpteq2dva ⊢ φ → k ∈ 0 ..^ N ⟼ F = k ∈ 0 ..^ N ⟼ D ⁡ k · ˙ A - ˙ D ⁡ k + 1 · ˙ C
134 133 oveq2d ⊢ φ → ∑ R k ∈ 0 ..^ N F = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A - ˙ D ⁡ k + 1 · ˙ C
135 eqid ⊢ k ∈ 0 ..^ N ⟼ D ⁡ k · ˙ A = k ∈ 0 ..^ N ⟼ D ⁡ k · ˙ A
136 eqid ⊢ k ∈ 0 ..^ N ⟼ D ⁡ k + 1 · ˙ C = k ∈ 0 ..^ N ⟼ D ⁡ k + 1 · ˙ C
137 1 3 115 30 37 124 135 136 gsummptfidmsub ⊢ φ → ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A - ˙ D ⁡ k + 1 · ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A - ˙ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C
138 134 137 eqtrd ⊢ φ → ∑ R k ∈ 0 ..^ N F = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A - ˙ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C
139 138 10 oveq12d ⊢ φ → ∑ R k ∈ 0 ..^ N F + ˙ E = ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k · ˙ A - ˙ ∑ R k ∈ 0 ..^ N D ⁡ k + 1 · ˙ C + ˙ D ⁡ N · ˙ A - ˙ D ⁡ 0 · ˙ C
140 129 132 139 3eqtr4d ⊢ φ → ∑ R D · ˙ A - ˙ C = ∑ R k ∈ 0 ..^ N F + ˙ E