Metamath Proof Explorer


Theorem dchrisum0fmul

Description: The function F , the divisor sum of a Dirichlet character, is a multiplicative function (but not completely multiplicative). Equation 9.4.27 of Shapiro, p. 382. (Contributed by Mario Carneiro, 5-May-2016)

Ref Expression
Hypotheses rpvmasum.z โŠข ๐‘ = ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ )
rpvmasum.l โŠข ๐ฟ = ( โ„คRHom โ€˜ ๐‘ )
rpvmasum.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
rpvmasum2.g โŠข ๐บ = ( DChr โ€˜ ๐‘ )
rpvmasum2.d โŠข ๐ท = ( Base โ€˜ ๐บ )
rpvmasum2.1 โŠข 1 = ( 0g โ€˜ ๐บ )
dchrisum0f.f โŠข ๐น = ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†ฆ ฮฃ ๐‘ฃ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐‘ } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘ฃ ) ) )
dchrisum0f.x โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ท )
dchrisum0fmul.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„• )
dchrisum0fmul.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„• )
dchrisum0fmul.m โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด gcd ๐ต ) = 1 )
Assertion dchrisum0fmul ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐ด ยท ๐ต ) ) = ( ( ๐น โ€˜ ๐ด ) ยท ( ๐น โ€˜ ๐ต ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rpvmasum.z โŠข ๐‘ = ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ )
2 rpvmasum.l โŠข ๐ฟ = ( โ„คRHom โ€˜ ๐‘ )
3 rpvmasum.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
4 rpvmasum2.g โŠข ๐บ = ( DChr โ€˜ ๐‘ )
5 rpvmasum2.d โŠข ๐ท = ( Base โ€˜ ๐บ )
6 rpvmasum2.1 โŠข 1 = ( 0g โ€˜ ๐บ )
7 dchrisum0f.f โŠข ๐น = ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†ฆ ฮฃ ๐‘ฃ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐‘ } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘ฃ ) ) )
8 dchrisum0f.x โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ท )
9 dchrisum0fmul.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„• )
10 dchrisum0fmul.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„• )
11 dchrisum0fmul.m โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด gcd ๐ต ) = 1 )
12 eqid โŠข { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } = { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด }
13 eqid โŠข { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } = { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต }
14 eqid โŠข { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ( ๐ด ยท ๐ต ) } = { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ( ๐ด ยท ๐ต ) }
15 8 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ท )
16 elrabi โŠข ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„• )
17 16 nnzd โŠข ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„ค )
18 17 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„ค )
19 4 1 5 2 15 18 dchrzrhcl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘— ) ) โˆˆ โ„‚ )
20 8 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ท )
21 elrabi โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„• )
22 21 nnzd โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„ค )
23 22 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„ค )
24 4 1 5 2 20 23 dchrzrhcl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘˜ ) ) โˆˆ โ„‚ )
25 17 22 anim12i โŠข ( ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } ) โ†’ ( ๐‘— โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„ค ) )
26 8 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ท )
27 simprl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„ค )
28 simprr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„ค )
29 4 1 5 2 26 27 28 dchrzrhmul โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( ๐‘— ยท ๐‘˜ ) ) ) = ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘— ) ) ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘˜ ) ) ) )
30 29 eqcomd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘— ) ) ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘˜ ) ) ) = ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( ๐‘— ยท ๐‘˜ ) ) ) )
31 25 30 sylan2 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } ) ) โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘— ) ) ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘˜ ) ) ) = ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( ๐‘— ยท ๐‘˜ ) ) ) )
32 2fveq3 โŠข ( ๐‘– = ( ๐‘— ยท ๐‘˜ ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘– ) ) = ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( ๐‘— ยท ๐‘˜ ) ) ) )
33 9 10 11 12 13 14 19 24 31 32 fsumdvdsmul โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ฮฃ ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘— ) ) ยท ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘˜ ) ) ) = ฮฃ ๐‘– โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ( ๐ด ยท ๐ต ) } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘– ) ) )
34 1 2 3 4 5 6 7 dchrisum0fval โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘— ) ) )
35 9 34 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘— ) ) )
36 1 2 3 4 5 6 7 dchrisum0fval โŠข ( ๐ต โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐ต ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘˜ ) ) )
37 10 36 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐ต ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘˜ ) ) )
38 35 37 oveq12d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐น โ€˜ ๐ด ) ยท ( ๐น โ€˜ ๐ต ) ) = ( ฮฃ ๐‘— โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ด } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘— ) ) ยท ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ๐ต } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘˜ ) ) ) )
39 9 10 nnmulcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด ยท ๐ต ) โˆˆ โ„• )
40 1 2 3 4 5 6 7 dchrisum0fval โŠข ( ( ๐ด ยท ๐ต ) โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐ด ยท ๐ต ) ) = ฮฃ ๐‘– โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ( ๐ด ยท ๐ต ) } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘– ) ) )
41 39 40 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐ด ยท ๐ต ) ) = ฮฃ ๐‘– โˆˆ { ๐‘ž โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ž โˆฅ ( ๐ด ยท ๐ต ) } ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘– ) ) )
42 33 38 41 3eqtr4rd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐ด ยท ๐ต ) ) = ( ( ๐น โ€˜ ๐ด ) ยท ( ๐น โ€˜ ๐ต ) ) )