Metamath Proof Explorer


Theorem fsumdvdsdiaglem

Description: A "diagonal commutation" of divisor sums analogous to fsum0diag . (Contributed by Mario Carneiro, 2-Jul-2015) (Revised by Mario Carneiro, 8-Apr-2016)

Ref Expression
Hypothesis fsumdvdsdiag.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
Assertion fsumdvdsdiaglem ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) } ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fsumdvdsdiag.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
2 breq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘˜ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ โ†” ๐‘˜ โˆฅ ๐‘ ) )
3 elrabi โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„• )
4 3 ad2antll โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„• )
5 4 nnzd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„ค )
6 1 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
7 simprl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } )
8 dvdsdivcl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } ) โ†’ ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } )
9 6 7 8 syl2anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } )
10 elrabi โŠข ( ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โ†’ ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ โ„• )
11 9 10 syl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ โ„• )
12 11 nnzd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ โ„ค )
13 6 nnzd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„ค )
14 breq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘˜ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) โ†” ๐‘˜ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) ) )
15 14 elrab โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } โ†” ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) ) )
16 15 simprbi โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } โ†’ ๐‘˜ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) )
17 16 ad2antll โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) )
18 breq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ( ๐‘ / ๐‘— ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ โ†” ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆฅ ๐‘ ) )
19 18 elrab โŠข ( ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โ†” ( ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆฅ ๐‘ ) )
20 19 simprbi โŠข ( ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โ†’ ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆฅ ๐‘ )
21 9 20 syl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆฅ ๐‘ )
22 5 12 13 17 21 dvdstrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆฅ ๐‘ )
23 2 4 22 elrabd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } )
24 breq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘— โ†’ ( ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) โ†” ๐‘— โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) ) )
25 elrabi โŠข ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„• )
26 25 ad2antrl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„• )
27 26 nnzd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„ค )
28 26 nnne0d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘— โ‰  0 )
29 dvdsmulcr โŠข ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„ค โˆง ( ๐‘ / ๐‘— ) โˆˆ โ„ค โˆง ( ๐‘— โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘— โ‰  0 ) ) โ†’ ( ( ๐‘˜ ยท ๐‘— ) โˆฅ ( ( ๐‘ / ๐‘— ) ยท ๐‘— ) โ†” ๐‘˜ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) ) )
30 5 12 27 28 29 syl112anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ( ๐‘˜ ยท ๐‘— ) โˆฅ ( ( ๐‘ / ๐‘— ) ยท ๐‘— ) โ†” ๐‘˜ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) ) )
31 17 30 mpbird โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘˜ ยท ๐‘— ) โˆฅ ( ( ๐‘ / ๐‘— ) ยท ๐‘— ) )
32 6 nncnd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„‚ )
33 26 nncnd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„‚ )
34 32 33 28 divcan1d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ( ๐‘ / ๐‘— ) ยท ๐‘— ) = ๐‘ )
35 4 nncnd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ )
36 4 nnne0d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘˜ โ‰  0 )
37 32 35 36 divcan2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘˜ ยท ( ๐‘ / ๐‘˜ ) ) = ๐‘ )
38 34 37 eqtr4d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ( ๐‘ / ๐‘— ) ยท ๐‘— ) = ( ๐‘˜ ยท ( ๐‘ / ๐‘˜ ) ) )
39 31 38 breqtrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘˜ ยท ๐‘— ) โˆฅ ( ๐‘˜ ยท ( ๐‘ / ๐‘˜ ) ) )
40 ssrab2 โŠข { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โŠ† โ„•
41 dvdsdivcl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } ) โ†’ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } )
42 6 23 41 syl2anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } )
43 40 42 sselid โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) โˆˆ โ„• )
44 43 nnzd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ค )
45 dvdscmulr โŠข ( ( ๐‘— โˆˆ โ„ค โˆง ( ๐‘ / ๐‘˜ ) โˆˆ โ„ค โˆง ( ๐‘˜ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘˜ โ‰  0 ) ) โ†’ ( ( ๐‘˜ ยท ๐‘— ) โˆฅ ( ๐‘˜ ยท ( ๐‘ / ๐‘˜ ) ) โ†” ๐‘— โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) ) )
46 27 44 5 36 45 syl112anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ( ๐‘˜ ยท ๐‘— ) โˆฅ ( ๐‘˜ ยท ( ๐‘ / ๐‘˜ ) ) โ†” ๐‘— โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) ) )
47 39 46 mpbid โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘— โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) )
48 24 26 47 elrabd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) } )
49 23 48 jca โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) ) โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) } ) )
50 49 ex โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘— ) } ) โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ } โˆง ๐‘— โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ / ๐‘˜ ) } ) ) )