Metamath Proof Explorer


Theorem bpolycl

Description: Closure law for Bernoulli polynomials. (Contributed by Scott Fenton, 16-May-2014) (Proof shortened by Mario Carneiro, 22-May-2014)

Ref Expression
Assertion bpolycl ( ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 oveq1 โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) = ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) )
2 1 eleq1d โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ โ†” ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) )
3 2 imbi2d โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†” ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) ) )
4 oveq1 โŠข ( ๐‘› = ๐‘ โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) = ( ๐‘ BernPoly ๐‘‹ ) )
5 4 eleq1d โŠข ( ๐‘› = ๐‘ โ†’ ( ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ โ†” ( ๐‘ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) )
6 5 imbi2d โŠข ( ๐‘› = ๐‘ โ†’ ( ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†” ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) ) )
7 r19.21v โŠข ( โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†” ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) )
8 bpolyval โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) = ( ( ๐‘‹ โ†‘ ๐‘› ) โˆ’ ฮฃ ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ( ๐‘› C ๐‘š ) ยท ( ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) / ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) ) ) ) )
9 8 3adant3 โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) = ( ( ๐‘‹ โ†‘ ๐‘› ) โˆ’ ฮฃ ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ( ๐‘› C ๐‘š ) ยท ( ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) / ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) ) ) ) )
10 simp2 โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ )
11 simp1 โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„•0 )
12 10 11 expcld โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘‹ โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„‚ )
13 fzfid โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) โˆˆ Fin )
14 elfzelz โŠข ( ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) โ†’ ๐‘š โˆˆ โ„ค )
15 bccl โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘š โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐‘› C ๐‘š ) โˆˆ โ„•0 )
16 11 14 15 syl2an โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ( ๐‘› C ๐‘š ) โˆˆ โ„•0 )
17 16 nn0cnd โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ( ๐‘› C ๐‘š ) โˆˆ โ„‚ )
18 oveq1 โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘š โ†’ ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) = ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) )
19 18 eleq1d โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘š โ†’ ( ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ โ†” ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) )
20 19 rspccva โŠข ( ( โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ )
21 20 3ad2antl3 โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ )
22 fzssp1 โŠข ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) โІ ( 0 ... ( ( ๐‘› โˆ’ 1 ) + 1 ) )
23 11 nn0cnd โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„‚ )
24 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
25 npcan โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆ’ 1 ) + 1 ) = ๐‘› )
26 23 24 25 sylancl โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆ’ 1 ) + 1 ) = ๐‘› )
27 26 oveq2d โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( 0 ... ( ( ๐‘› โˆ’ 1 ) + 1 ) ) = ( 0 ... ๐‘› ) )
28 22 27 sseqtrid โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) โІ ( 0 ... ๐‘› ) )
29 28 sselda โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ๐‘› ) )
30 fznn0sub โŠข ( ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ๐‘› ) โ†’ ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) โˆˆ โ„•0 )
31 nn0p1nn โŠข ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) โˆˆ โ„• )
32 29 30 31 3syl โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) โˆˆ โ„• )
33 32 nncnd โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) โˆˆ โ„‚ )
34 32 nnne0d โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) โ‰  0 )
35 21 33 34 divcld โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) / ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) ) โˆˆ โ„‚ )
36 17 35 mulcld โŠข ( ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โˆง ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘› C ๐‘š ) ยท ( ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) / ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) ) ) โˆˆ โ„‚ )
37 13 36 fsumcl โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ฮฃ ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ( ๐‘› C ๐‘š ) ยท ( ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) / ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) ) ) โˆˆ โ„‚ )
38 12 37 subcld โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘‹ โ†‘ ๐‘› ) โˆ’ ฮฃ ๐‘š โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ( ๐‘› C ๐‘š ) ยท ( ( ๐‘š BernPoly ๐‘‹ ) / ( ( ๐‘› โˆ’ ๐‘š ) + 1 ) ) ) ) โˆˆ โ„‚ )
39 9 38 eqeltrd โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โˆง โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ )
40 39 3exp โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) ) )
41 40 a2d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) ) )
42 7 41 biimtrid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( โˆ€ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘› โˆ’ 1 ) ) ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘˜ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘› BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) ) )
43 3 6 42 nn0sinds โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ ) )
44 43 imp โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘ BernPoly ๐‘‹ ) โˆˆ โ„‚ )