Metamath Proof Explorer


Theorem binomcxplemcvg

Description: Lemma for binomcxp . The sum in binomcxplemnn0 and its derivative (see the next theorem, binomcxplemdvsum ) converge, as long as their base J is within the disk of convergence. Part of remark "This convergence allows us to apply term-by-term differentiation..." in the Wikibooks proof. (Contributed by Steve Rodriguez, 22-Apr-2020)

Ref Expression
Hypotheses binomcxp.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
binomcxp.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„ )
binomcxp.lt โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( abs โ€˜ ๐ต ) < ( abs โ€˜ ๐ด ) )
binomcxp.c โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„‚ )
binomcxplem.f โŠข ๐น = ( ๐‘— โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ถ C๐‘ ๐‘— ) )
binomcxplem.s โŠข ๐‘† = ( ๐‘ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ยท ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
binomcxplem.r โŠข ๐‘… = sup ( { ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆฃ seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โˆˆ dom โ‡ } , โ„* , < )
binomcxplem.e โŠข ๐ธ = ( ๐‘ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) )
binomcxplem.d โŠข ๐ท = ( โ—ก abs โ€œ ( 0 [,) ๐‘… ) )
Assertion binomcxplemcvg ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ ( seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐ฝ ) ) โˆˆ dom โ‡ โˆง seq 1 ( + , ( ๐ธ โ€˜ ๐ฝ ) ) โˆˆ dom โ‡ ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 binomcxp.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„+ )
2 binomcxp.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„ )
3 binomcxp.lt โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( abs โ€˜ ๐ต ) < ( abs โ€˜ ๐ด ) )
4 binomcxp.c โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„‚ )
5 binomcxplem.f โŠข ๐น = ( ๐‘— โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ถ C๐‘ ๐‘— ) )
6 binomcxplem.s โŠข ๐‘† = ( ๐‘ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ยท ( ๐‘ โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
7 binomcxplem.r โŠข ๐‘… = sup ( { ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆฃ seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โˆˆ dom โ‡ } , โ„* , < )
8 binomcxplem.e โŠข ๐ธ = ( ๐‘ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) )
9 binomcxplem.d โŠข ๐ท = ( โ—ก abs โ€œ ( 0 [,) ๐‘… ) )
10 4 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„‚ )
11 simpr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„•0 )
12 10 11 bcccl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ถ C๐‘ ๐‘— ) โˆˆ โ„‚ )
13 12 5 fmptd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น : โ„•0 โŸถ โ„‚ )
14 13 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ ๐น : โ„•0 โŸถ โ„‚ )
15 9 eleq2i โŠข ( ๐ฝ โˆˆ ๐ท โ†” ๐ฝ โˆˆ ( โ—ก abs โ€œ ( 0 [,) ๐‘… ) ) )
16 absf โŠข abs : โ„‚ โŸถ โ„
17 ffn โŠข ( abs : โ„‚ โŸถ โ„ โ†’ abs Fn โ„‚ )
18 elpreima โŠข ( abs Fn โ„‚ โ†’ ( ๐ฝ โˆˆ ( โ—ก abs โ€œ ( 0 [,) ๐‘… ) ) โ†” ( ๐ฝ โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆˆ ( 0 [,) ๐‘… ) ) ) )
19 16 17 18 mp2b โŠข ( ๐ฝ โˆˆ ( โ—ก abs โ€œ ( 0 [,) ๐‘… ) ) โ†” ( ๐ฝ โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆˆ ( 0 [,) ๐‘… ) ) )
20 15 19 bitri โŠข ( ๐ฝ โˆˆ ๐ท โ†” ( ๐ฝ โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆˆ ( 0 [,) ๐‘… ) ) )
21 20 simplbi โŠข ( ๐ฝ โˆˆ ๐ท โ†’ ๐ฝ โˆˆ โ„‚ )
22 21 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ ๐ฝ โˆˆ โ„‚ )
23 20 simprbi โŠข ( ๐ฝ โˆˆ ๐ท โ†’ ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆˆ ( 0 [,) ๐‘… ) )
24 0re โŠข 0 โˆˆ โ„
25 ssrab2 โŠข { ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆฃ seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โˆˆ dom โ‡ } โŠ† โ„
26 ressxr โŠข โ„ โŠ† โ„*
27 25 26 sstri โŠข { ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆฃ seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โˆˆ dom โ‡ } โŠ† โ„*
28 supxrcl โŠข ( { ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆฃ seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โˆˆ dom โ‡ } โŠ† โ„* โ†’ sup ( { ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆฃ seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โˆˆ dom โ‡ } , โ„* , < ) โˆˆ โ„* )
29 27 28 ax-mp โŠข sup ( { ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆฃ seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โˆˆ dom โ‡ } , โ„* , < ) โˆˆ โ„*
30 7 29 eqeltri โŠข ๐‘… โˆˆ โ„*
31 elico2 โŠข ( ( 0 โˆˆ โ„ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„* ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆˆ ( 0 [,) ๐‘… ) โ†” ( ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆง ( abs โ€˜ ๐ฝ ) < ๐‘… ) ) )
32 24 30 31 mp2an โŠข ( ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆˆ ( 0 [,) ๐‘… ) โ†” ( ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆง ( abs โ€˜ ๐ฝ ) < ๐‘… ) )
33 32 simp3bi โŠข ( ( abs โ€˜ ๐ฝ ) โˆˆ ( 0 [,) ๐‘… ) โ†’ ( abs โ€˜ ๐ฝ ) < ๐‘… )
34 23 33 syl โŠข ( ๐ฝ โˆˆ ๐ท โ†’ ( abs โ€˜ ๐ฝ ) < ๐‘… )
35 34 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ ( abs โ€˜ ๐ฝ ) < ๐‘… )
36 6 14 7 22 35 radcnvlt2 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐ฝ ) ) โˆˆ dom โ‡ )
37 8 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ๐ธ = ( ๐‘ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) ) )
38 simplr โŠข ( ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘ = ๐ฝ ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘ = ๐ฝ )
39 38 oveq1d โŠข ( ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘ = ๐ฝ ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) = ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) )
40 39 oveq2d โŠข ( ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘ = ๐ฝ ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) = ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) )
41 40 mpteq2dva โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘ = ๐ฝ ) โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) )
42 simpr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ๐ฝ โˆˆ โ„‚ )
43 nnex โŠข โ„• โˆˆ V
44 43 mptex โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) โˆˆ V
45 44 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) โˆˆ V )
46 37 41 42 45 fvmptd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ธ โ€˜ ๐ฝ ) = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) )
47 21 46 sylan2 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ ( ๐ธ โ€˜ ๐ฝ ) = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) )
48 47 seqeq3d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ seq 1 ( + , ( ๐ธ โ€˜ ๐ฝ ) ) = seq 1 ( + , ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) ) )
49 eqid โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) )
50 6 7 49 14 22 35 dvradcnv2 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ seq 1 ( + , ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐ฝ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) ) โˆˆ dom โ‡ )
51 48 50 eqeltrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ seq 1 ( + , ( ๐ธ โ€˜ ๐ฝ ) ) โˆˆ dom โ‡ )
52 36 51 jca โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ฝ โˆˆ ๐ท ) โ†’ ( seq 0 ( + , ( ๐‘† โ€˜ ๐ฝ ) ) โˆˆ dom โ‡ โˆง seq 1 ( + , ( ๐ธ โ€˜ ๐ฝ ) ) โˆˆ dom โ‡ ) )