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Theorem gsumzf1o

Description: Re-index a finite group sum using a bijection. (Contributed by Mario Carneiro, 24-Apr-2016) (Revised by AV, 2-Jun-2019)

Ref Expression
Hypotheses gsumzcl.b ⊢ B = Base G
gsumzcl.0 ⊢ 0 ˙ = 0 G
gsumzcl.z ⊢ Z = Cntz ⁡ G
gsumzcl.g ⊢ φ → G ∈ Mnd
gsumzcl.a ⊢ φ → A ∈ V
gsumzcl.f ⊢ φ → F : A ⟶ B
gsumzcl.c ⊢ φ → ran ⁡ F ⊆ Z ⁡ ran ⁡ F
gsumzcl.w ⊢ φ → finSupp 0 ˙⁡ F
gsumzf1o.h ⊢ φ → H : C ⟶ 1-1 onto A
Assertion gsumzf1o ⊢ φ → ∑ G F = ∑ G F ∘ H

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 gsumzcl.b ⊢ B = Base G
2 gsumzcl.0 ⊢ 0 ˙ = 0 G
3 gsumzcl.z ⊢ Z = Cntz ⁡ G
4 gsumzcl.g ⊢ φ → G ∈ Mnd
5 gsumzcl.a ⊢ φ → A ∈ V
6 gsumzcl.f ⊢ φ → F : A ⟶ B
7 gsumzcl.c ⊢ φ → ran ⁡ F ⊆ Z ⁡ ran ⁡ F
8 gsumzcl.w ⊢ φ → finSupp 0 ˙⁡ F
9 gsumzf1o.h ⊢ φ → H : C ⟶ 1-1 onto A
10 2 gsumz ⊢ G ∈ Mnd ∧ A ∈ V → ∑ G k ∈ A 0 ˙ = 0 ˙
11 4 5 10 syl2anc ⊢ φ → ∑ G k ∈ A 0 ˙ = 0 ˙
12 f1of1 ⊢ H : C ⟶ 1-1 onto A → H : C ⟶ 1-1 A
13 9 12 syl ⊢ φ → H : C ⟶ 1-1 A
14 f1dmex ⊢ H : C ⟶ 1-1 A ∧ A ∈ V → C ∈ V
15 13 5 14 syl2anc ⊢ φ → C ∈ V
16 2 gsumz ⊢ G ∈ Mnd ∧ C ∈ V → ∑ G x ∈ C 0 ˙ = 0 ˙
17 4 15 16 syl2anc ⊢ φ → ∑ G x ∈ C 0 ˙ = 0 ˙
18 11 17 eqtr4d ⊢ φ → ∑ G k ∈ A 0 ˙ = ∑ G x ∈ C 0 ˙
19 18 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ = ∅ → ∑ G k ∈ A 0 ˙ = ∑ G x ∈ C 0 ˙
20 2 fvexi ⊢ 0 ˙ ∈ V
21 20 a1i ⊢ φ → 0 ˙ ∈ V
22 ssidd ⊢ φ → F supp 0 ˙ ⊆ F supp 0 ˙
23 6 5 21 22 gsumcllem ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ = ∅ → F = k ∈ A ⟼ 0 ˙
24 23 oveq2d ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ = ∅ → ∑ G F = ∑ G k ∈ A 0 ˙
25 f1of ⊢ H : C ⟶ 1-1 onto A → H : C ⟶ A
26 9 25 syl ⊢ φ → H : C ⟶ A
27 26 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ = ∅ → H : C ⟶ A
28 27 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ = ∅ ∧ x ∈ C → H ⁡ x ∈ A
29 27 feqmptd ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ = ∅ → H = x ∈ C ⟼ H ⁡ x
30 eqidd ⊢ k = H ⁡ x → 0 ˙ = 0 ˙
31 28 29 23 30 fmptco ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ = ∅ → F ∘ H = x ∈ C ⟼ 0 ˙
32 31 oveq2d ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ = ∅ → ∑ G F ∘ H = ∑ G x ∈ C 0 ˙
33 19 24 32 3eqtr4d ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ = ∅ → ∑ G F = ∑ G F ∘ H
34 33 ex ⊢ φ → F supp 0 ˙ = ∅ → ∑ G F = ∑ G F ∘ H
35 9 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → H : C ⟶ 1-1 onto A
36 f1ococnv2 ⊢ H : C ⟶ 1-1 onto A → H ∘ H -1 = I ↾ A
37 35 36 syl ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → H ∘ H -1 = I ↾ A
38 37 coeq1d ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → H ∘ H -1 ∘ f = I ↾ A ∘ f
39 f1of1 ⊢ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 F supp 0 ˙
40 39 ad2antll ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 F supp 0 ˙
41 suppssdm ⊢ F supp 0 ˙ ⊆ dom ⁡ F
42 41 6 fssdm ⊢ φ → F supp 0 ˙ ⊆ A
43 42 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F supp 0 ˙ ⊆ A
44 f1ss ⊢ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 F supp 0 ˙ ∧ F supp 0 ˙ ⊆ A → f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 A
45 40 43 44 syl2anc ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 A
46 f1f ⊢ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 A → f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ A
47 fcoi2 ⊢ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ A → I ↾ A ∘ f = f
48 45 46 47 3syl ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → I ↾ A ∘ f = f
49 38 48 eqtrd ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → H ∘ H -1 ∘ f = f
50 coass ⊢ H ∘ H -1 ∘ f = H ∘ H -1 ∘ f
51 49 50 eqtr3di ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → f = H ∘ H -1 ∘ f
52 51 coeq2d ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F ∘ f = F ∘ H ∘ H -1 ∘ f
53 coass ⊢ F ∘ H ∘ H -1 ∘ f = F ∘ H ∘ H -1 ∘ f
54 52 53 eqtr4di ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F ∘ f = F ∘ H ∘ H -1 ∘ f
55 54 seqeq3d ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → seq 1 + G F ∘ f = seq 1 + G F ∘ H ∘ H -1 ∘ f
56 55 fveq1d ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → seq 1 + G F ∘ f ⁡ F supp 0 ˙ = seq 1 + G F ∘ H ∘ H -1 ∘ f ⁡ F supp 0 ˙
57 eqid ⊢ + G = + G
58 4 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → G ∈ Mnd
59 5 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → A ∈ V
60 6 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F : A ⟶ B
61 7 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ran ⁡ F ⊆ Z ⁡ ran ⁡ F
62 simprl ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F supp 0 ˙ ∈ ℕ
63 ssid ⊢ F supp 0 ˙ ⊆ F supp 0 ˙
64 f1ofo ⊢ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ onto F supp 0 ˙
65 forn ⊢ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ onto F supp 0 ˙ → ran ⁡ f = F supp 0 ˙
66 64 65 syl ⊢ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ran ⁡ f = F supp 0 ˙
67 66 ad2antll ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ran ⁡ f = F supp 0 ˙
68 63 67 sseqtrrid ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F supp 0 ˙ ⊆ ran ⁡ f
69 eqid ⊢ F ∘ f supp 0 ˙ = F ∘ f supp 0 ˙
70 1 2 57 3 58 59 60 61 62 45 68 69 gsumval3 ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ∑ G F = seq 1 + G F ∘ f ⁡ F supp 0 ˙
71 15 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → C ∈ V
72 fco ⊢ F : A ⟶ B ∧ H : C ⟶ A → F ∘ H : C ⟶ B
73 6 26 72 syl2anc ⊢ φ → F ∘ H : C ⟶ B
74 73 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F ∘ H : C ⟶ B
75 rncoss ⊢ ran ⁡ F ∘ H ⊆ ran ⁡ F
76 3 cntzidss ⊢ ran ⁡ F ⊆ Z ⁡ ran ⁡ F ∧ ran ⁡ F ∘ H ⊆ ran ⁡ F → ran ⁡ F ∘ H ⊆ Z ⁡ ran ⁡ F ∘ H
77 7 75 76 sylancl ⊢ φ → ran ⁡ F ∘ H ⊆ Z ⁡ ran ⁡ F ∘ H
78 77 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ran ⁡ F ∘ H ⊆ Z ⁡ ran ⁡ F ∘ H
79 f1ocnv ⊢ H : C ⟶ 1-1 onto A → H -1 : A ⟶ 1-1 onto C
80 f1of1 ⊢ H -1 : A ⟶ 1-1 onto C → H -1 : A ⟶ 1-1 C
81 9 79 80 3syl ⊢ φ → H -1 : A ⟶ 1-1 C
82 81 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → H -1 : A ⟶ 1-1 C
83 f1co ⊢ H -1 : A ⟶ 1-1 C ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 A → H -1 ∘ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 C
84 82 45 83 syl2anc ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → H -1 ∘ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 C
85 ssidd ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F supp 0 ˙ ⊆ F supp 0 ˙
86 6 5 fexd ⊢ φ → F ∈ V
87 suppimacnv ⊢ F ∈ V ∧ 0 ˙ ∈ V → F supp 0 ˙ = F -1 V ∖ 0 ˙
88 86 20 87 sylancl ⊢ φ → F supp 0 ˙ = F -1 V ∖ 0 ˙
89 88 eqcomd ⊢ φ → F -1 V ∖ 0 ˙ = F supp 0 ˙
90 89 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F -1 V ∖ 0 ˙ = F supp 0 ˙
91 85 90 67 3sstr4d ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F -1 V ∖ 0 ˙ ⊆ ran ⁡ f
92 imass2 ⊢ F -1 V ∖ 0 ˙ ⊆ ran ⁡ f → H -1 F -1 V ∖ 0 ˙ ⊆ H -1 ran ⁡ f
93 91 92 syl ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → H -1 F -1 V ∖ 0 ˙ ⊆ H -1 ran ⁡ f
94 cnvco ⊢ F ∘ H -1 = H -1 ∘ F -1
95 94 imaeq1i ⊢ F ∘ H -1 V ∖ 0 ˙ = H -1 ∘ F -1 V ∖ 0 ˙
96 imaco ⊢ H -1 ∘ F -1 V ∖ 0 ˙ = H -1 F -1 V ∖ 0 ˙
97 95 96 eqtri ⊢ F ∘ H -1 V ∖ 0 ˙ = H -1 F -1 V ∖ 0 ˙
98 rnco2 ⊢ ran ⁡ H -1 ∘ f = H -1 ran ⁡ f
99 93 97 98 3sstr4g ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F ∘ H -1 V ∖ 0 ˙ ⊆ ran ⁡ H -1 ∘ f
100 f1oexrnex ⊢ H : C ⟶ 1-1 onto A ∧ A ∈ V → H ∈ V
101 9 5 100 syl2anc ⊢ φ → H ∈ V
102 coexg ⊢ F ∈ V ∧ H ∈ V → F ∘ H ∈ V
103 86 101 102 syl2anc ⊢ φ → F ∘ H ∈ V
104 suppimacnv ⊢ F ∘ H ∈ V ∧ 0 ˙ ∈ V → F ∘ H supp 0 ˙ = F ∘ H -1 V ∖ 0 ˙
105 103 20 104 sylancl ⊢ φ → F ∘ H supp 0 ˙ = F ∘ H -1 V ∖ 0 ˙
106 105 sseq1d ⊢ φ → F ∘ H supp 0 ˙ ⊆ ran ⁡ H -1 ∘ f ↔ F ∘ H -1 V ∖ 0 ˙ ⊆ ran ⁡ H -1 ∘ f
107 106 adantr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F ∘ H supp 0 ˙ ⊆ ran ⁡ H -1 ∘ f ↔ F ∘ H -1 V ∖ 0 ˙ ⊆ ran ⁡ H -1 ∘ f
108 99 107 mpbird ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → F ∘ H supp 0 ˙ ⊆ ran ⁡ H -1 ∘ f
109 eqid ⊢ F ∘ H ∘ H -1 ∘ f supp 0 ˙ = F ∘ H ∘ H -1 ∘ f supp 0 ˙
110 1 2 57 3 58 71 74 78 62 84 108 109 gsumval3 ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ∑ G F ∘ H = seq 1 + G F ∘ H ∘ H -1 ∘ f ⁡ F supp 0 ˙
111 56 70 110 3eqtr4d ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ∑ G F = ∑ G F ∘ H
112 111 expr ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ → f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ∑ G F = ∑ G F ∘ H
113 112 exlimdv ⊢ φ ∧ F supp 0 ˙ ∈ ℕ → ∃ f f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ∑ G F = ∑ G F ∘ H
114 113 expimpd ⊢ φ → F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ ∃ f f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙ → ∑ G F = ∑ G F ∘ H
115 fsuppimp ⊢ finSupp 0 ˙⁡ F → Fun ⁡ F ∧ F supp 0 ˙ ∈ Fin
116 115 simprd ⊢ finSupp 0 ˙⁡ F → F supp 0 ˙ ∈ Fin
117 fz1f1o ⊢ F supp 0 ˙ ∈ Fin → F supp 0 ˙ = ∅ ∨ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ ∃ f f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙
118 8 116 117 3syl ⊢ φ → F supp 0 ˙ = ∅ ∨ F supp 0 ˙ ∈ ℕ ∧ ∃ f f : 1 … F supp 0 ˙ ⟶ 1-1 onto F supp 0 ˙
119 34 114 118 mpjaod ⊢ φ → ∑ G F = ∑ G F ∘ H