Metamath Proof Explorer


Theorem geo2lim

Description: The value of the infinite geometric series 2 ^ -u 1 + 2 ^ -u 2 + ... , multiplied by a constant. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Jun-2014)

Ref Expression
Hypothesis geo2lim.1 โŠข ๐น = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
Assertion geo2lim ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐ด )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 geo2lim.1 โŠข ๐น = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
2 nnuz โŠข โ„• = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 )
3 1zzd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ 1 โˆˆ โ„ค )
4 halfcn โŠข ( 1 / 2 ) โˆˆ โ„‚
5 4 a1i โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( 1 / 2 ) โˆˆ โ„‚ )
6 halfre โŠข ( 1 / 2 ) โˆˆ โ„
7 halfge0 โŠข 0 โ‰ค ( 1 / 2 )
8 absid โŠข ( ( ( 1 / 2 ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( 1 / 2 ) ) โ†’ ( abs โ€˜ ( 1 / 2 ) ) = ( 1 / 2 ) )
9 6 7 8 mp2an โŠข ( abs โ€˜ ( 1 / 2 ) ) = ( 1 / 2 )
10 halflt1 โŠข ( 1 / 2 ) < 1
11 9 10 eqbrtri โŠข ( abs โ€˜ ( 1 / 2 ) ) < 1
12 11 a1i โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( abs โ€˜ ( 1 / 2 ) ) < 1 )
13 5 12 expcnv โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ‡ 0 )
14 id โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
15 nnex โŠข โ„• โˆˆ V
16 15 mptex โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) โˆˆ V
17 1 16 eqeltri โŠข ๐น โˆˆ V
18 17 a1i โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ๐น โˆˆ V )
19 nnnn0 โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„•0 )
20 19 adantl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„•0 )
21 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘— โ†’ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) = ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘— ) )
22 eqid โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) )
23 ovex โŠข ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘— ) โˆˆ V
24 21 22 23 fvmpt โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘— ) )
25 20 24 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘— ) )
26 2cn โŠข 2 โˆˆ โ„‚
27 2ne0 โŠข 2 โ‰  0
28 nnz โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„ค )
29 28 adantl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„ค )
30 exprec โŠข ( ( 2 โˆˆ โ„‚ โˆง 2 โ‰  0 โˆง ๐‘— โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘— ) = ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) )
31 26 27 29 30 mp3an12i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘— ) = ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) )
32 25 31 eqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ€˜ ๐‘— ) = ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) )
33 2nn โŠข 2 โˆˆ โ„•
34 nnexpcl โŠข ( ( 2 โˆˆ โ„• โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘— ) โˆˆ โ„• )
35 33 20 34 sylancr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘— ) โˆˆ โ„• )
36 35 nnrecred โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) โˆˆ โ„ )
37 36 recnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) โˆˆ โ„‚ )
38 32 37 eqeltrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ€˜ ๐‘— ) โˆˆ โ„‚ )
39 simpl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
40 35 nncnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘— ) โˆˆ โ„‚ )
41 35 nnne0d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘— ) โ‰  0 )
42 39 40 41 divrecd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) = ( ๐ด ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) ) )
43 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘— โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) = ( 2 โ†‘ ๐‘— ) )
44 43 oveq2d โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘— โ†’ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) )
45 ovex โŠข ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) โˆˆ V
46 44 1 45 fvmpt โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘— ) = ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) )
47 46 adantl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘— ) = ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) )
48 32 oveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐ด ยท ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ€˜ ๐‘— ) ) = ( ๐ด ยท ( 1 / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) ) )
49 42 47 48 3eqtr4d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘— ) = ( ๐ด ยท ( ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( 1 / 2 ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ€˜ ๐‘— ) ) )
50 2 3 13 14 18 38 49 climmulc2 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ๐น โ‡ ( ๐ด ยท 0 ) )
51 mul01 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด ยท 0 ) = 0 )
52 50 51 breqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ๐น โ‡ 0 )
53 seqex โŠข seq 1 ( + , ๐น ) โˆˆ V
54 53 a1i โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ seq 1 ( + , ๐น ) โˆˆ V )
55 39 40 41 divcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) โˆˆ โ„‚ )
56 47 55 eqeltrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘— ) โˆˆ โ„‚ )
57 47 oveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐ด โˆ’ ( ๐น โ€˜ ๐‘— ) ) = ( ๐ด โˆ’ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) ) )
58 geo2sum โŠข ( ( ๐‘— โˆˆ โ„• โˆง ๐ด โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) = ( ๐ด โˆ’ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) ) )
59 58 ancoms โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) = ( ๐ด โˆ’ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘— ) ) ) )
60 elfznn โŠข ( ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„• )
61 60 adantl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„• )
62 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘› โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) = ( 2 โ†‘ ๐‘› ) )
63 62 oveq2d โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘› โ†’ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) )
64 ovex โŠข ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) โˆˆ V
65 63 1 64 fvmpt โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘› ) = ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) )
66 61 65 syl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘› ) = ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) )
67 simpr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„• )
68 67 2 eleqtrdi โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘— โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) )
69 simpll โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
70 nnnn0 โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„•0 )
71 nnexpcl โŠข ( ( 2 โˆˆ โ„• โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„• )
72 33 70 71 sylancr โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„• )
73 61 72 syl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„• )
74 73 nncnd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„‚ )
75 73 nnne0d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ) โ†’ ( 2 โ†‘ ๐‘› ) โ‰  0 )
76 69 74 75 divcld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ) โ†’ ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) โˆˆ โ„‚ )
77 66 68 76 fsumser โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 1 ... ๐‘— ) ( ๐ด / ( 2 โ†‘ ๐‘› ) ) = ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ๐‘— ) )
78 57 59 77 3eqtr2rd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„• ) โ†’ ( seq 1 ( + , ๐น ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ๐ด โˆ’ ( ๐น โ€˜ ๐‘— ) ) )
79 2 3 52 14 54 56 78 climsubc2 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ( ๐ด โˆ’ 0 ) )
80 subid1 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด โˆ’ 0 ) = ๐ด )
81 79 80 breqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ seq 1 ( + , ๐น ) โ‡ ๐ด )