Metamath Proof Explorer


Theorem amgm2d

Description: Arithmetic-geometric mean inequality for n = 2 , derived from amgmlem . (Contributed by Stanislas Polu, 8-Sep-2020)

Ref Expression
Hypotheses amgm2d.0 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
amgm2d.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„+ )
Assertion amgm2d ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด ยท ๐ต ) โ†‘๐‘ ( 1 / 2 ) ) โ‰ค ( ( ๐ด + ๐ต ) / 2 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 amgm2d.0 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
2 amgm2d.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„+ )
3 eqid โŠข ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) = ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld )
4 fzofi โŠข ( 0 ..^ 2 ) โˆˆ Fin
5 4 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0 ..^ 2 ) โˆˆ Fin )
6 2nn โŠข 2 โˆˆ โ„•
7 lbfzo0 โŠข ( 0 โˆˆ ( 0 ..^ 2 ) โ†” 2 โˆˆ โ„• )
8 6 7 mpbir โŠข 0 โˆˆ ( 0 ..^ 2 )
9 8 ne0ii โŠข ( 0 ..^ 2 ) โ‰  โˆ…
10 9 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0 ..^ 2 ) โ‰  โˆ… )
11 1 2 s2cld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ )
12 wrdf โŠข ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) ) โŸถ โ„+ )
13 s2len โŠข ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) = 2
14 13 eqcomi โŠข 2 = ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ )
15 14 oveq2i โŠข ( 0 ..^ 2 ) = ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) )
16 15 feq2i โŠข ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 2 ) โŸถ โ„+ โ†” โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) ) โŸถ โ„+ )
17 12 16 sylibr โŠข ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 2 ) โŸถ โ„+ )
18 11 17 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 2 ) โŸถ โ„+ )
19 3 5 10 18 amgmlem โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) โ†‘๐‘ ( 1 / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 2 ) ) ) ) โ‰ค ( ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 2 ) ) ) )
20 cnring โŠข โ„‚fld โˆˆ Ring
21 3 ringmgp โŠข ( โ„‚fld โˆˆ Ring โ†’ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd )
22 20 21 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd )
23 1 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
24 2 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„‚ )
25 cnfldbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ โ„‚fld )
26 3 25 mgpbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
27 cnfldmul โŠข ยท = ( .r โ€˜ โ„‚fld )
28 3 27 mgpplusg โŠข ยท = ( +g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
29 26 28 gsumws2 โŠข ( ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) = ( ๐ด ยท ๐ต ) )
30 22 23 24 29 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) = ( ๐ด ยท ๐ต ) )
31 2nn0 โŠข 2 โˆˆ โ„•0
32 hashfzo0 โŠข ( 2 โˆˆ โ„•0 โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 2 ) ) = 2 )
33 31 32 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 2 ) ) = 2 )
34 33 oveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 1 / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 2 ) ) ) = ( 1 / 2 ) )
35 30 34 oveq12d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) โ†‘๐‘ ( 1 / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 2 ) ) ) ) = ( ( ๐ด ยท ๐ต ) โ†‘๐‘ ( 1 / 2 ) ) )
36 ringmnd โŠข ( โ„‚fld โˆˆ Ring โ†’ โ„‚fld โˆˆ Mnd )
37 20 36 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โ„‚fld โˆˆ Mnd )
38 cnfldadd โŠข + = ( +g โ€˜ โ„‚fld )
39 25 38 gsumws2 โŠข ( ( โ„‚fld โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) = ( ๐ด + ๐ต ) )
40 37 23 24 39 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) = ( ๐ด + ๐ต ) )
41 40 33 oveq12d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 2 ) ) ) = ( ( ๐ด + ๐ต ) / 2 ) )
42 19 35 41 3brtr3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด ยท ๐ต ) โ†‘๐‘ ( 1 / 2 ) ) โ‰ค ( ( ๐ด + ๐ต ) / 2 ) )