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Theorem dchrvmasumlem

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 )
dchrmusum.f ⊒ 𝐹 = ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) )
dchrmusum.c ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝐢 ∈ ( 0 [,) +∞ ) )
dchrmusum.t ⊒ ( πœ‘ β†’ seq 1 ( + , 𝐹 ) ⇝ 𝑇 )
dchrmusum.2 ⊒ ( πœ‘ β†’ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , 𝐹 ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑇 ) ) ≀ ( 𝐢 / 𝑦 ) )
Assertion dchrvmasumlem ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› 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 dchrmusum.f ⊒ 𝐹 = ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) )
10 dchrmusum.c ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝐢 ∈ ( 0 [,) +∞ ) )
11 dchrmusum.t ⊒ ( πœ‘ β†’ seq 1 ( + , 𝐹 ) ⇝ 𝑇 )
12 dchrmusum.2 ⊒ ( πœ‘ β†’ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , 𝐹 ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑇 ) ) ≀ ( 𝐢 / 𝑦 ) )
13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 dchrisumn0 ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑇 β‰  0 )
14 13 adantr ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ 𝑇 β‰  0 )
15 ifnefalse ⊒ ( 𝑇 β‰  0 β†’ if ( 𝑇 = 0 , ( log β€˜ π‘₯ ) , 0 ) = 0 )
16 14 15 syl ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ if ( 𝑇 = 0 , ( log β€˜ π‘₯ ) , 0 ) = 0 )
17 16 oveq2d ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) + if ( 𝑇 = 0 , ( log β€˜ π‘₯ ) , 0 ) ) = ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) + 0 ) )
18 fzfid ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ∈ Fin )
19 7 ad2antrr ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ 𝑋 ∈ 𝐷 )
20 elfzelz ⊒ ( 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) β†’ 𝑛 ∈ β„€ )
21 20 adantl ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ 𝑛 ∈ β„€ )
22 4 1 5 2 19 21 dchrzrhcl ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) ∈ β„‚ )
23 elfznn ⊒ ( 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) β†’ 𝑛 ∈ β„• )
24 23 adantl ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ 𝑛 ∈ β„• )
25 vmacl ⊒ ( 𝑛 ∈ β„• β†’ ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) ∈ ℝ )
26 nndivre ⊒ ( ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) ∈ ℝ ∧ 𝑛 ∈ β„• ) β†’ ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ∈ ℝ )
27 25 26 mpancom ⊒ ( 𝑛 ∈ β„• β†’ ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ∈ ℝ )
28 24 27 syl ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ∈ ℝ )
29 28 recnd ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ∈ β„‚ )
30 22 29 mulcld ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ∈ β„‚ )
31 18 30 fsumcl ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ∈ β„‚ )
32 31 addridd ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) + 0 ) = Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) )
33 17 32 eqtrd ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) + if ( 𝑇 = 0 , ( log β€˜ π‘₯ ) , 0 ) ) = Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) )
34 33 mpteq2dva ⊒ ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) + if ( 𝑇 = 0 , ( log β€˜ π‘₯ ) , 0 ) ) ) = ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) )
35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 dchrvmasumif ⊒ ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) + if ( 𝑇 = 0 , ( log β€˜ π‘₯ ) , 0 ) ) ) ∈ 𝑂(1) )
36 34 35 eqeltrrd ⊒ ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( Ξ› β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) ∈ 𝑂(1) )