Metamath Proof Explorer


Theorem 0.999...

Description: The recurring decimal 0.999..., which is defined as the infinite sum 0.9 + 0.09 + 0.009 + ... i.e. 9 / 1 0 ^ 1 + 9 / 1 0 ^ 2 + 9 / 1 0 ^ 3 + ... , is exactly equal to 1, according to ZF set theory. Interestingly, about 40% of the people responding to a poll at http://forum.physorg.com/index.php?showtopic=13177 disagree. (Contributed by NM, 2-Nov-2007) (Revised by AV, 8-Sep-2021)

Ref Expression
Assertion 0.999... ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 9 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 9cn โŠข 9 โˆˆ โ„‚
2 10re โŠข 1 0 โˆˆ โ„
3 2 recni โŠข 1 0 โˆˆ โ„‚
4 nnnn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
5 expcl โŠข ( ( 1 0 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
6 3 4 5 sylancr โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
7 3 a1i โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ 1 0 โˆˆ โ„‚ )
8 10pos โŠข 0 < 1 0
9 2 8 gt0ne0ii โŠข 1 0 โ‰  0
10 9 a1i โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ 1 0 โ‰  0 )
11 nnz โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„ค )
12 7 10 11 expne0d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) โ‰  0 )
13 divrec โŠข ( ( 9 โˆˆ โ„‚ โˆง ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) โ‰  0 ) โ†’ ( 9 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 9 ยท ( 1 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
14 1 6 12 13 mp3an2i โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 9 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 9 ยท ( 1 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
15 7 10 11 exprecd โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ( 1 / 1 0 ) โ†‘ ๐‘˜ ) = ( 1 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
16 15 oveq2d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 9 ยท ( ( 1 / 1 0 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 9 ยท ( 1 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
17 14 16 eqtr4d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( 9 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( 9 ยท ( ( 1 / 1 0 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
18 17 sumeq2i โŠข ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 9 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 9 ยท ( ( 1 / 1 0 ) โ†‘ ๐‘˜ ) )
19 2 9 rereccli โŠข ( 1 / 1 0 ) โˆˆ โ„
20 19 recni โŠข ( 1 / 1 0 ) โˆˆ โ„‚
21 0re โŠข 0 โˆˆ โ„
22 2 8 recgt0ii โŠข 0 < ( 1 / 1 0 )
23 21 19 22 ltleii โŠข 0 โ‰ค ( 1 / 1 0 )
24 19 absidi โŠข ( 0 โ‰ค ( 1 / 1 0 ) โ†’ ( abs โ€˜ ( 1 / 1 0 ) ) = ( 1 / 1 0 ) )
25 23 24 ax-mp โŠข ( abs โ€˜ ( 1 / 1 0 ) ) = ( 1 / 1 0 )
26 1lt10 โŠข 1 < 1 0
27 recgt1 โŠข ( ( 1 0 โˆˆ โ„ โˆง 0 < 1 0 ) โ†’ ( 1 < 1 0 โ†” ( 1 / 1 0 ) < 1 ) )
28 2 8 27 mp2an โŠข ( 1 < 1 0 โ†” ( 1 / 1 0 ) < 1 )
29 26 28 mpbi โŠข ( 1 / 1 0 ) < 1
30 25 29 eqbrtri โŠข ( abs โ€˜ ( 1 / 1 0 ) ) < 1
31 geoisum1c โŠข ( ( 9 โˆˆ โ„‚ โˆง ( 1 / 1 0 ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ( 1 / 1 0 ) ) < 1 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 9 ยท ( ( 1 / 1 0 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ( 9 ยท ( 1 / 1 0 ) ) / ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) ) ) )
32 1 20 30 31 mp3an โŠข ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 9 ยท ( ( 1 / 1 0 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ( 9 ยท ( 1 / 1 0 ) ) / ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) ) )
33 1 3 9 divreci โŠข ( 9 / 1 0 ) = ( 9 ยท ( 1 / 1 0 ) )
34 1 3 9 divcan2i โŠข ( 1 0 ยท ( 9 / 1 0 ) ) = 9
35 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
36 3 35 20 subdii โŠข ( 1 0 ยท ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) ) ) = ( ( 1 0 ยท 1 ) โˆ’ ( 1 0 ยท ( 1 / 1 0 ) ) )
37 3 mulridi โŠข ( 1 0 ยท 1 ) = 1 0
38 3 9 recidi โŠข ( 1 0 ยท ( 1 / 1 0 ) ) = 1
39 37 38 oveq12i โŠข ( ( 1 0 ยท 1 ) โˆ’ ( 1 0 ยท ( 1 / 1 0 ) ) ) = ( 1 0 โˆ’ 1 )
40 10m1e9 โŠข ( 1 0 โˆ’ 1 ) = 9
41 36 39 40 3eqtrri โŠข 9 = ( 1 0 ยท ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) ) )
42 34 41 eqtri โŠข ( 1 0 ยท ( 9 / 1 0 ) ) = ( 1 0 ยท ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) ) )
43 9re โŠข 9 โˆˆ โ„
44 43 2 9 redivcli โŠข ( 9 / 1 0 ) โˆˆ โ„
45 44 recni โŠข ( 9 / 1 0 ) โˆˆ โ„‚
46 35 20 subcli โŠข ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) ) โˆˆ โ„‚
47 45 46 3 9 mulcani โŠข ( ( 1 0 ยท ( 9 / 1 0 ) ) = ( 1 0 ยท ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) ) ) โ†” ( 9 / 1 0 ) = ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) ) )
48 42 47 mpbi โŠข ( 9 / 1 0 ) = ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) )
49 33 48 oveq12i โŠข ( ( 9 / 1 0 ) / ( 9 / 1 0 ) ) = ( ( 9 ยท ( 1 / 1 0 ) ) / ( 1 โˆ’ ( 1 / 1 0 ) ) )
50 9pos โŠข 0 < 9
51 43 2 50 8 divgt0ii โŠข 0 < ( 9 / 1 0 )
52 44 51 gt0ne0ii โŠข ( 9 / 1 0 ) โ‰  0
53 45 52 dividi โŠข ( ( 9 / 1 0 ) / ( 9 / 1 0 ) ) = 1
54 32 49 53 3eqtr2i โŠข ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 9 ยท ( ( 1 / 1 0 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) = 1
55 18 54 eqtri โŠข ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( 9 / ( 1 0 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = 1