Metamath Proof Explorer


Theorem circlemethnat

Description: The Hardy, Littlewood and Ramanujan Circle Method, Chapter 5.1 of Nathanson p. 123. This expresses R , the number of different ways a nonnegative integer N can be represented as the sum of at most S integers in the set A as an integral of Vinogradov trigonometric sums. (Contributed by Thierry Arnoux, 13-Dec-2021)

Ref Expression
Hypotheses circlemethnat.r โŠข ๐‘… = ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐ด ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) )
circlemethnat.f โŠข ๐น = ( ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ )
circlemethnat.n โŠข ๐‘ โˆˆ โ„•0
circlemethnat.a โŠข ๐ด โŠ† โ„•
circlemethnat.s โŠข ๐‘† โˆˆ โ„•
Assertion circlemethnat ๐‘… = โˆซ ( 0 (,) 1 ) ( ( ๐น โ†‘ ๐‘† ) ยท ( exp โ€˜ ( ( i ยท ( 2 ยท ฯ€ ) ) ยท ( - ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) ) ) ) d ๐‘ฅ

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 circlemethnat.r โŠข ๐‘… = ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐ด ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) )
2 circlemethnat.f โŠข ๐น = ( ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ )
3 circlemethnat.n โŠข ๐‘ โˆˆ โ„•0
4 circlemethnat.a โŠข ๐ด โŠ† โ„•
5 circlemethnat.s โŠข ๐‘† โˆˆ โ„•
6 nnex โŠข โ„• โˆˆ V
7 indf โŠข ( ( โ„• โˆˆ V โˆง ๐ด โŠ† โ„• ) โ†’ ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) : โ„• โŸถ { 0 , 1 } )
8 6 4 7 mp2an โŠข ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) : โ„• โŸถ { 0 , 1 }
9 pr01ssre โŠข { 0 , 1 } โŠ† โ„
10 ax-resscn โŠข โ„ โŠ† โ„‚
11 9 10 sstri โŠข { 0 , 1 } โŠ† โ„‚
12 fss โŠข ( ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) : โ„• โŸถ { 0 , 1 } โˆง { 0 , 1 } โŠ† โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) : โ„• โŸถ โ„‚ )
13 8 11 12 mp2an โŠข ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) : โ„• โŸถ โ„‚
14 cnex โŠข โ„‚ โˆˆ V
15 14 6 elmap โŠข ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„‚ โ†‘m โ„• ) โ†” ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) : โ„• โŸถ โ„‚ )
16 13 15 mpbir โŠข ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ( โ„‚ โ†‘m โ„• )
17 16 elexi โŠข ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ V
18 17 fvconst2 โŠข ( ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) โ†’ ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) = ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) )
19 18 adantl โŠข ( ( ( โŠค โˆง ๐‘ โˆˆ ( โ„• ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) โ†’ ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) = ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) )
20 19 fveq1d โŠข ( ( ( โŠค โˆง ๐‘ โˆˆ ( โ„• ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) โ†’ ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) = ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) )
21 20 prodeq2dv โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ โˆˆ ( โ„• ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) ) โ†’ โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) = โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) )
22 21 sumeq2dv โŠข ( โŠค โ†’ ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( โ„• ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) = ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( โ„• ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) )
23 4 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ๐ด โŠ† โ„• )
24 3 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
25 5 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ๐‘† โˆˆ โ„• )
26 25 nnnn0d โŠข ( โŠค โ†’ ๐‘† โˆˆ โ„•0 )
27 23 24 26 hashrepr โŠข ( โŠค โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐ด ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( โ„• ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) )
28 22 27 eqtr4d โŠข ( โŠค โ†’ ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( โ„• ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) = ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐ด ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) ) )
29 1 28 eqtr4id โŠข ( โŠค โ†’ ๐‘… = ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( โ„• ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) )
30 16 fconst6 โŠข ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) : ( 0 ..^ ๐‘† ) โŸถ ( โ„‚ โ†‘m โ„• )
31 30 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) : ( 0 ..^ ๐‘† ) โŸถ ( โ„‚ โ†‘m โ„• ) )
32 24 25 31 circlemeth โŠข ( โŠค โ†’ ฮฃ ๐‘ โˆˆ ( โ„• ( repr โ€˜ ๐‘† ) ๐‘ ) โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) โ€˜ ( ๐‘ โ€˜ ๐‘Ž ) ) = โˆซ ( 0 (,) 1 ) ( โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( exp โ€˜ ( ( i ยท ( 2 ยท ฯ€ ) ) ยท ( - ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) ) ) ) d ๐‘ฅ )
33 fzofi โŠข ( 0 ..^ ๐‘† ) โˆˆ Fin
34 33 a1i โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ( 0 ..^ ๐‘† ) โˆˆ Fin )
35 3 a1i โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
36 ioossre โŠข ( 0 (,) 1 ) โŠ† โ„
37 36 10 sstri โŠข ( 0 (,) 1 ) โŠ† โ„‚
38 37 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ( 0 (,) 1 ) โŠ† โ„‚ )
39 38 sselda โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ )
40 13 a1i โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) : โ„• โŸถ โ„‚ )
41 35 39 40 vtscl โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ( ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ )
42 2 41 eqeltrid โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ๐น โˆˆ โ„‚ )
43 fprodconst โŠข ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) โˆˆ Fin โˆง ๐น โˆˆ โ„‚ ) โ†’ โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ๐น = ( ๐น โ†‘ ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) ) )
44 34 42 43 syl2anc โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ๐น = ( ๐น โ†‘ ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) ) )
45 18 adantl โŠข ( ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) โ†’ ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) = ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) )
46 45 oveq1d โŠข ( ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) โ†’ ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) vts ๐‘ ) = ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) vts ๐‘ ) )
47 46 fveq1d โŠข ( ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) โ†’ ( ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ ) )
48 2 47 eqtr4id โŠข ( ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) โ†’ ๐น = ( ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ ) )
49 48 prodeq2dv โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ๐น = โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ ) )
50 26 adantr โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ๐‘† โˆˆ โ„•0 )
51 hashfzo0 โŠข ( ๐‘† โˆˆ โ„•0 โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) = ๐‘† )
52 50 51 syl โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) = ๐‘† )
53 52 oveq2d โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ( ๐น โ†‘ ( โ™ฏ โ€˜ ( 0 ..^ ๐‘† ) ) ) = ( ๐น โ†‘ ๐‘† ) )
54 44 49 53 3eqtr3d โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ๐น โ†‘ ๐‘† ) )
55 54 oveq1d โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( 0 (,) 1 ) ) โ†’ ( โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( exp โ€˜ ( ( i ยท ( 2 ยท ฯ€ ) ) ยท ( - ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) ) ) ) = ( ( ๐น โ†‘ ๐‘† ) ยท ( exp โ€˜ ( ( i ยท ( 2 ยท ฯ€ ) ) ยท ( - ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) ) ) ) )
56 55 itgeq2dv โŠข ( โŠค โ†’ โˆซ ( 0 (,) 1 ) ( โˆ ๐‘Ž โˆˆ ( 0 ..^ ๐‘† ) ( ( ( ( ( 0 ..^ ๐‘† ) ร— { ( ( ๐Ÿญ โ€˜ โ„• ) โ€˜ ๐ด ) } ) โ€˜ ๐‘Ž ) vts ๐‘ ) โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( exp โ€˜ ( ( i ยท ( 2 ยท ฯ€ ) ) ยท ( - ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) ) ) ) d ๐‘ฅ = โˆซ ( 0 (,) 1 ) ( ( ๐น โ†‘ ๐‘† ) ยท ( exp โ€˜ ( ( i ยท ( 2 ยท ฯ€ ) ) ยท ( - ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) ) ) ) d ๐‘ฅ )
57 29 32 56 3eqtrd โŠข ( โŠค โ†’ ๐‘… = โˆซ ( 0 (,) 1 ) ( ( ๐น โ†‘ ๐‘† ) ยท ( exp โ€˜ ( ( i ยท ( 2 ยท ฯ€ ) ) ยท ( - ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) ) ) ) d ๐‘ฅ )
58 57 mptru โŠข ๐‘… = โˆซ ( 0 (,) 1 ) ( ( ๐น โ†‘ ๐‘† ) ยท ( exp โ€˜ ( ( i ยท ( 2 ยท ฯ€ ) ) ยท ( - ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) ) ) ) d ๐‘ฅ