Metamath Proof Explorer


Theorem geoisum1c

Description: The infinite sum of A x. ( R ^ 1 ) + A x. ( R ^ 2 ) ... is ( A x. R ) / ( 1 - R ) . (Contributed by NM, 2-Nov-2007) (Revised by Mario Carneiro, 26-Apr-2014)

Ref Expression
Assertion geoisum1c ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ๐ด ยท ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘… ) / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 simp1 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
2 simp2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ๐‘… โˆˆ โ„‚ )
3 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
4 subcl โŠข ( ( 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( 1 โˆ’ ๐‘… ) โˆˆ โ„‚ )
5 3 2 4 sylancr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ( 1 โˆ’ ๐‘… ) โˆˆ โ„‚ )
6 simp3 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 )
7 1re โŠข 1 โˆˆ โ„
8 7 ltnri โŠข ยฌ 1 < 1
9 abs1 โŠข ( abs โ€˜ 1 ) = 1
10 fveq2 โŠข ( 1 = ๐‘… โ†’ ( abs โ€˜ 1 ) = ( abs โ€˜ ๐‘… ) )
11 9 10 eqtr3id โŠข ( 1 = ๐‘… โ†’ 1 = ( abs โ€˜ ๐‘… ) )
12 11 breq1d โŠข ( 1 = ๐‘… โ†’ ( 1 < 1 โ†” ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) )
13 8 12 mtbii โŠข ( 1 = ๐‘… โ†’ ยฌ ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 )
14 13 necon2ai โŠข ( ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 โ†’ 1 โ‰  ๐‘… )
15 6 14 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ 1 โ‰  ๐‘… )
16 subeq0 โŠข ( ( 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( 1 โˆ’ ๐‘… ) = 0 โ†” 1 = ๐‘… ) )
17 16 necon3bid โŠข ( ( 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( 1 โˆ’ ๐‘… ) โ‰  0 โ†” 1 โ‰  ๐‘… ) )
18 3 2 17 sylancr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ( ( 1 โˆ’ ๐‘… ) โ‰  0 โ†” 1 โ‰  ๐‘… ) )
19 15 18 mpbird โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ( 1 โˆ’ ๐‘… ) โ‰  0 )
20 1 2 5 19 divassd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ( ( ๐ด ยท ๐‘… ) / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) = ( ๐ด ยท ( ๐‘… / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) ) )
21 geoisum1 โŠข ( ( ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) = ( ๐‘… / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) )
22 21 3adant1 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) = ( ๐‘… / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) )
23 22 oveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ( ๐ด ยท ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ๐ด ยท ( ๐‘… / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) ) )
24 nnuz โŠข โ„• = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 )
25 1zzd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ 1 โˆˆ โ„ค )
26 oveq2 โŠข ( ๐‘› = ๐‘˜ โ†’ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) = ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) )
27 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) )
28 ovex โŠข ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ V
29 26 27 28 fvmpt โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) )
30 29 adantl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) )
31 nnnn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
32 expcl โŠข ( ( ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
33 2 31 32 syl2an โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
34 1nn0 โŠข 1 โˆˆ โ„•0
35 34 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ 1 โˆˆ โ„•0 )
36 elnnuz โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†” ๐‘˜ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) )
37 36 30 sylan2br โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) )
38 2 6 35 37 geolim2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ seq 1 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) ) ) โ‡ ( ( ๐‘… โ†‘ 1 ) / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) )
39 seqex โŠข seq 1 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) ) ) โˆˆ V
40 ovex โŠข ( ( ๐‘… โ†‘ 1 ) / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) โˆˆ V
41 39 40 breldm โŠข ( seq 1 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) ) ) โ‡ ( ( ๐‘… โ†‘ 1 ) / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) โ†’ seq 1 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) ) ) โˆˆ dom โ‡ )
42 38 41 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ seq 1 ( + , ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( ๐‘… โ†‘ ๐‘› ) ) ) โˆˆ dom โ‡ )
43 24 25 30 33 42 1 isummulc2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ( ๐ด ยท ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ๐ด ยท ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
44 20 23 43 3eqtr2rd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘… โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ๐‘… ) < 1 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ๐ด ยท ( ๐‘… โ†‘ ๐‘˜ ) ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘… ) / ( 1 โˆ’ ๐‘… ) ) )