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Theorem dchrmusum

Description: The sum of the MΓΆbius function multiplied by a non-principal Dirichlet character, divided by n , is bounded. Equation 9.4.16 of Shapiro, p. 379. (Contributed by Mario Carneiro, 12-May-2016)

Ref Expression
Hypotheses rpvmasum.z ⊒ 𝑍 = ( β„€/nβ„€ β€˜ 𝑁 )
rpvmasum.l ⊒ 𝐿 = ( β„€RHom β€˜ 𝑍 )
rpvmasum.a ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑁 ∈ β„• )
dchrmusum.g ⊒ 𝐺 = ( DChr β€˜ 𝑁 )
dchrmusum.d ⊒ 𝐷 = ( Base β€˜ 𝐺 )
dchrmusum.1 ⊒ 1 = ( 0g β€˜ 𝐺 )
dchrmusum.b ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑋 ∈ 𝐷 )
dchrmusum.n1 ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑋 β‰  1 )
Assertion dchrmusum ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) ∈ 𝑂(1) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rpvmasum.z ⊒ 𝑍 = ( β„€/nβ„€ β€˜ 𝑁 )
2 rpvmasum.l ⊒ 𝐿 = ( β„€RHom β€˜ 𝑍 )
3 rpvmasum.a ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑁 ∈ β„• )
4 dchrmusum.g ⊒ 𝐺 = ( DChr β€˜ 𝑁 )
5 dchrmusum.d ⊒ 𝐷 = ( Base β€˜ 𝐺 )
6 dchrmusum.1 ⊒ 1 = ( 0g β€˜ 𝐺 )
7 dchrmusum.b ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑋 ∈ 𝐷 )
8 dchrmusum.n1 ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑋 β‰  1 )
9 eqid ⊒ ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) = ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) )
10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 dchrmusumlema ⊒ ( πœ‘ β†’ βˆƒ 𝑑 βˆƒ 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) )
11 3 adantr ⊒ ( ( πœ‘ ∧ ( 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ∧ ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) ) ) β†’ 𝑁 ∈ β„• )
12 7 adantr ⊒ ( ( πœ‘ ∧ ( 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ∧ ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) ) ) β†’ 𝑋 ∈ 𝐷 )
13 8 adantr ⊒ ( ( πœ‘ ∧ ( 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ∧ ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) ) ) β†’ 𝑋 β‰  1 )
14 simprl ⊒ ( ( πœ‘ ∧ ( 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ∧ ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) ) ) β†’ 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) )
15 simprrl ⊒ ( ( πœ‘ ∧ ( 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ∧ ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) ) ) β†’ seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 )
16 simprrr ⊒ ( ( πœ‘ ∧ ( 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ∧ ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) ) ) β†’ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) )
17 1 2 11 4 5 6 12 13 9 14 15 16 dchrmusumlem ⊒ ( ( πœ‘ ∧ ( 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ∧ ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) ) ) β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) ∈ 𝑂(1) )
18 17 rexlimdvaa ⊒ ( πœ‘ β†’ ( βˆƒ 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) ∈ 𝑂(1) ) )
19 18 exlimdv ⊒ ( πœ‘ β†’ ( βˆƒ 𝑑 βˆƒ 𝑐 ∈ ( 0 [,) +∞ ) ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) ⇝ 𝑑 ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) ) ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑑 ) ) ≀ ( 𝑐 / 𝑦 ) ) β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) ∈ 𝑂(1) ) )
20 10 19 mpd ⊒ ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) ∈ 𝑂(1) )