Metamath Proof Explorer


Theorem amgm3d

Description: Arithmetic-geometric mean inequality for n = 3 . (Contributed by Stanislas Polu, 11-Sep-2020)

Ref Expression
Hypotheses amgm3d.0 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
amgm3d.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„+ )
amgm3d.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„+ )
Assertion amgm3d ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด ยท ( ๐ต ยท ๐ถ ) ) โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) โ‰ค ( ( ๐ด + ( ๐ต + ๐ถ ) ) / 3 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 amgm3d.0 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
2 amgm3d.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„+ )
3 amgm3d.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„+ )
4 eqid โŠข ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) = ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld )
5 fzofi โŠข ( 0 ..^ 3 ) โˆˆ Fin
6 5 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0 ..^ 3 ) โˆˆ Fin )
7 3nn โŠข 3 โˆˆ โ„•
8 lbfzo0 โŠข ( 0 โˆˆ ( 0 ..^ 3 ) โ†” 3 โˆˆ โ„• )
9 7 8 mpbir โŠข 0 โˆˆ ( 0 ..^ 3 )
10 ne0i โŠข ( 0 โˆˆ ( 0 ..^ 3 ) โ†’ ( 0 ..^ 3 ) โ‰  โˆ… )
11 9 10 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0 ..^ 3 ) โ‰  โˆ… )
12 1 2 3 s3cld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ )
13 wrdf โŠข ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) ) โŸถ โ„+ )
14 s3len โŠข ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) = 3
15 df-3 โŠข 3 = ( 2 + 1 )
16 14 15 eqtri โŠข ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) = ( 2 + 1 )
17 16 oveq2i โŠข ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) ) = ( 0 ..^ ( 2 + 1 ) )
18 17 feq2i โŠข ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) ) โŸถ โ„+ โ†” โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( 2 + 1 ) ) โŸถ โ„+ )
19 13 18 sylib โŠข ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( 2 + 1 ) ) โŸถ โ„+ )
20 15 oveq2i โŠข ( 0 ..^ 3 ) = ( 0 ..^ ( 2 + 1 ) )
21 20 feq2i โŠข ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 3 ) โŸถ โ„+ โ†” โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( 2 + 1 ) ) โŸถ โ„+ )
22 19 21 sylibr โŠข ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 3 ) โŸถ โ„+ )
23 12 22 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 3 ) โŸถ โ„+ )
24 4 6 11 23 amgmlem โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) โ†‘๐‘ ( 1 / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 3 ) ) ) ) โ‰ค ( ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 3 ) ) ) )
25 cnring โŠข โ„‚fld โˆˆ Ring
26 4 ringmgp โŠข ( โ„‚fld โˆˆ Ring โ†’ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd )
27 25 26 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd )
28 1 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
29 2 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„‚ )
30 3 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„‚ )
31 28 29 30 jca32 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) ) )
32 cnfldbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ โ„‚fld )
33 4 32 mgpbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
34 cnfldmul โŠข ยท = ( .r โ€˜ โ„‚fld )
35 4 34 mgpplusg โŠข ยท = ( +g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
36 33 35 gsumws3 โŠข ( ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd โˆง ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) ) ) โ†’ ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) = ( ๐ด ยท ( ๐ต ยท ๐ถ ) ) )
37 27 31 36 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) = ( ๐ด ยท ( ๐ต ยท ๐ถ ) ) )
38 3nn0 โŠข 3 โˆˆ โ„•0
39 hashfzo0 โŠข ( 3 โˆˆ โ„•0 โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 3 ) ) = 3 )
40 38 39 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 3 ) ) = 3 )
41 40 oveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 1 / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 3 ) ) ) = ( 1 / 3 ) )
42 37 41 oveq12d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) โ†‘๐‘ ( 1 / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 3 ) ) ) ) = ( ( ๐ด ยท ( ๐ต ยท ๐ถ ) ) โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) )
43 ringmnd โŠข ( โ„‚fld โˆˆ Ring โ†’ โ„‚fld โˆˆ Mnd )
44 25 43 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โ„‚fld โˆˆ Mnd )
45 cnfldadd โŠข + = ( +g โ€˜ โ„‚fld )
46 32 45 gsumws3 โŠข ( ( โ„‚fld โˆˆ Mnd โˆง ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) ) ) โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) = ( ๐ด + ( ๐ต + ๐ถ ) ) )
47 44 31 46 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) = ( ๐ด + ( ๐ต + ๐ถ ) ) )
48 47 40 oveq12d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐ด ๐ต ๐ถ โ€โŸฉ ) / ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ 3 ) ) ) = ( ( ๐ด + ( ๐ต + ๐ถ ) ) / 3 ) )
49 24 42 48 3brtr3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด ยท ( ๐ต ยท ๐ถ ) ) โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) โ‰ค ( ( ๐ด + ( ๐ต + ๐ถ ) ) / 3 ) )