Metamath Proof Explorer


Theorem amgmw2d

Description: Weighted arithmetic-geometric mean inequality for n = 2 (compare amgm2d ). (Contributed by Kunhao Zheng, 20-Jun-2021)

Ref Expression
Hypotheses amgmw2d.0 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
amgmw2d.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„+ )
amgmw2d.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„+ )
amgmw2d.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘„ โˆˆ โ„+ )
amgmw2d.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ + ๐‘„ ) = 1 )
Assertion amgmw2d ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ยท ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) ) โ‰ค ( ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) + ( ๐ต ยท ๐‘„ ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 amgmw2d.0 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
2 amgmw2d.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„+ )
3 amgmw2d.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„+ )
4 amgmw2d.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘„ โˆˆ โ„+ )
5 amgmw2d.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ + ๐‘„ ) = 1 )
6 eqid โŠข ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) = ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld )
7 fzofi โŠข ( 0 ..^ 2 ) โˆˆ Fin
8 7 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0 ..^ 2 ) โˆˆ Fin )
9 2nn โŠข 2 โˆˆ โ„•
10 lbfzo0 โŠข ( 0 โˆˆ ( 0 ..^ 2 ) โ†” 2 โˆˆ โ„• )
11 9 10 mpbir โŠข 0 โˆˆ ( 0 ..^ 2 )
12 ne0i โŠข ( 0 โˆˆ ( 0 ..^ 2 ) โ†’ ( 0 ..^ 2 ) โ‰  โˆ… )
13 11 12 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0 ..^ 2 ) โ‰  โˆ… )
14 1 3 s2cld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ )
15 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„+ )
16 14 15 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) ) โŸถ โ„+ )
17 s2len โŠข ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) = 2
18 17 oveq2i โŠข ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) ) = ( 0 ..^ 2 )
19 18 feq2i โŠข ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ ) ) โŸถ โ„+ โ†” โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 2 ) โŸถ โ„+ )
20 16 19 sylib โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 2 ) โŸถ โ„+ )
21 2 4 s2cld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ )
22 wrdf โŠข ( โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ โˆˆ Word โ„+ โ†’ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) โŸถ โ„+ )
23 21 22 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) โŸถ โ„+ )
24 s2len โŠข ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) = 2
25 24 oveq2i โŠข ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) = ( 0 ..^ 2 )
26 25 feq2i โŠข ( โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ ( โ™ฏ โ€˜ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) โŸถ โ„+ โ†” โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 2 ) โŸถ โ„+ )
27 23 26 sylib โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ : ( 0 ..^ 2 ) โŸถ โ„+ )
28 cnring โŠข โ„‚fld โˆˆ Ring
29 ringmnd โŠข ( โ„‚fld โˆˆ Ring โ†’ โ„‚fld โˆˆ Mnd )
30 28 29 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โ„‚fld โˆˆ Mnd )
31 2 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„‚ )
32 4 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘„ โˆˆ โ„‚ )
33 cnfldbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ โ„‚fld )
34 cnfldadd โŠข + = ( +g โ€˜ โ„‚fld )
35 33 34 gsumws2 โŠข ( ( โ„‚fld โˆˆ Mnd โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘„ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) = ( ๐‘ƒ + ๐‘„ ) )
36 30 31 32 35 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) = ( ๐‘ƒ + ๐‘„ ) )
37 36 5 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) = 1 )
38 6 8 13 20 27 37 amgmwlem โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f โ†‘๐‘ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) โ‰ค ( โ„‚fld ฮฃg ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f ยท โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) )
39 1 3 jca โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง ๐ต โˆˆ โ„+ ) )
40 2 4 jca โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘„ โˆˆ โ„+ ) )
41 ofs2 โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง ๐ต โˆˆ โ„+ ) โˆง ( ๐‘ƒ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘„ โˆˆ โ„+ ) ) โ†’ ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f โ†‘๐‘ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) = โŸจโ€œ ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) โ€โŸฉ )
42 39 40 41 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f โ†‘๐‘ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) = โŸจโ€œ ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) โ€โŸฉ )
43 42 oveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f โ†‘๐‘ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) = ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) โ€โŸฉ ) )
44 6 ringmgp โŠข ( โ„‚fld โˆˆ Ring โ†’ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd )
45 28 44 mp1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd )
46 2 rpred โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„ )
47 1 46 rpcxpcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) โˆˆ โ„+ )
48 47 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) โˆˆ โ„‚ )
49 4 rpred โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘„ โˆˆ โ„ )
50 3 49 rpcxpcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) โˆˆ โ„+ )
51 50 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) โˆˆ โ„‚ )
52 6 33 mgpbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
53 cnfldmul โŠข ยท = ( .r โ€˜ โ„‚fld )
54 6 53 mgpplusg โŠข ยท = ( +g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
55 52 54 gsumws2 โŠข ( ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd โˆง ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) โ€โŸฉ ) = ( ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ยท ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) ) )
56 45 48 51 55 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg โŸจโ€œ ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) โ€โŸฉ ) = ( ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ยท ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) ) )
57 43 56 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ฮฃg ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f โ†‘๐‘ โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ยท ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) ) )
58 ofs2 โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„+ โˆง ๐ต โˆˆ โ„+ ) โˆง ( ๐‘ƒ โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘„ โˆˆ โ„+ ) ) โ†’ ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f ยท โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) = โŸจโ€œ ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) ( ๐ต ยท ๐‘„ ) โ€โŸฉ )
59 39 40 58 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f ยท โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) = โŸจโ€œ ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) ( ๐ต ยท ๐‘„ ) โ€โŸฉ )
60 59 oveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f ยท โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) = ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) ( ๐ต ยท ๐‘„ ) โ€โŸฉ ) )
61 1 2 rpmulcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) โˆˆ โ„+ )
62 61 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) โˆˆ โ„‚ )
63 3 4 rpmulcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ต ยท ๐‘„ ) โˆˆ โ„+ )
64 63 rpcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ต ยท ๐‘„ ) โˆˆ โ„‚ )
65 33 34 gsumws2 โŠข ( ( โ„‚fld โˆˆ Mnd โˆง ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ต ยท ๐‘„ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) ( ๐ต ยท ๐‘„ ) โ€โŸฉ ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) + ( ๐ต ยท ๐‘„ ) ) )
66 30 62 64 65 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg โŸจโ€œ ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) ( ๐ต ยท ๐‘„ ) โ€โŸฉ ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) + ( ๐ต ยท ๐‘„ ) ) )
67 60 66 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚fld ฮฃg ( โŸจโ€œ ๐ด ๐ต โ€โŸฉ โˆ˜f ยท โŸจโ€œ ๐‘ƒ ๐‘„ โ€โŸฉ ) ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) + ( ๐ต ยท ๐‘„ ) ) )
68 38 57 67 3brtr3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘๐‘ ๐‘ƒ ) ยท ( ๐ต โ†‘๐‘ ๐‘„ ) ) โ‰ค ( ( ๐ด ยท ๐‘ƒ ) + ( ๐ต ยท ๐‘„ ) ) )