Metamath Proof Explorer


Theorem geolim

Description: The partial sums in the infinite series 1 + A ^ 1 + A ^ 2 ... converge to ( 1 / ( 1 - A ) ) . (Contributed by NM, 15-May-2006)

Ref Expression
Hypotheses geolim.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
geolim.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 )
geolim.3 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
Assertion geolim ( ๐œ‘ โ†’ seq 0 ( + , ๐น ) โ‡ ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 geolim.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
2 geolim.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 )
3 geolim.3 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
4 nn0uz โŠข โ„•0 = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 0 )
5 0zd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 0 โˆˆ โ„ค )
6 1 2 expcnv โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) โ‡ 0 )
7 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
8 subcl โŠข ( ( 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( 1 โˆ’ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
9 7 1 8 sylancr โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 1 โˆ’ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
10 1re โŠข 1 โˆˆ โ„
11 10 ltnri โŠข ยฌ 1 < 1
12 fveq2 โŠข ( ๐ด = 1 โ†’ ( abs โ€˜ ๐ด ) = ( abs โ€˜ 1 ) )
13 abs1 โŠข ( abs โ€˜ 1 ) = 1
14 12 13 eqtrdi โŠข ( ๐ด = 1 โ†’ ( abs โ€˜ ๐ด ) = 1 )
15 14 breq1d โŠข ( ๐ด = 1 โ†’ ( ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 โ†” 1 < 1 ) )
16 11 15 mtbiri โŠข ( ๐ด = 1 โ†’ ยฌ ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 )
17 16 necon2ai โŠข ( ( abs โ€˜ ๐ด ) < 1 โ†’ ๐ด โ‰  1 )
18 2 17 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โ‰  1 )
19 18 necomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 1 โ‰  ๐ด )
20 subeq0 โŠข ( ( 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( 1 โˆ’ ๐ด ) = 0 โ†” 1 = ๐ด ) )
21 7 1 20 sylancr โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( 1 โˆ’ ๐ด ) = 0 โ†” 1 = ๐ด ) )
22 21 necon3bid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( 1 โˆ’ ๐ด ) โ‰  0 โ†” 1 โ‰  ๐ด ) )
23 19 22 mpbird โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 1 โˆ’ ๐ด ) โ‰  0 )
24 1 9 23 divcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
25 nn0ex โŠข โ„•0 โˆˆ V
26 25 mptex โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โˆˆ V
27 26 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โˆˆ V )
28 oveq2 โŠข ( ๐‘› = ๐‘— โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) )
29 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) )
30 ovex โŠข ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) โˆˆ V
31 28 29 30 fvmpt โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) )
32 31 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) )
33 expcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) โˆˆ โ„‚ )
34 1 33 sylan โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) โˆˆ โ„‚ )
35 32 34 eqeltrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘— ) โˆˆ โ„‚ )
36 expp1 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ยท ๐ด ) )
37 1 36 sylan โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ยท ๐ด ) )
38 1 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
39 34 38 mulcomd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ยท ๐ด ) = ( ๐ด ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) )
40 37 39 eqtrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) = ( ๐ด ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) )
41 40 oveq1d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) = ( ( ๐ด ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )
42 9 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 1 โˆ’ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
43 23 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 1 โˆ’ ๐ด ) โ‰  0 )
44 38 34 42 43 div23d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) = ( ( ๐ด / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) )
45 41 44 eqtrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) = ( ( ๐ด / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) )
46 oveq1 โŠข ( ๐‘› = ๐‘— โ†’ ( ๐‘› + 1 ) = ( ๐‘— + 1 ) )
47 46 oveq2d โŠข ( ๐‘› = ๐‘— โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) = ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) )
48 47 oveq1d โŠข ( ๐‘› = ๐‘— โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )
49 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )
50 ovex โŠข ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆˆ V
51 48 49 50 fvmpt โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )
52 51 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )
53 32 oveq2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ยท ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) )
54 45 52 53 3eqtr4d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ( ๐ด / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ยท ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐ด โ†‘ ๐‘› ) ) โ€˜ ๐‘— ) ) )
55 4 5 6 24 27 35 54 climmulc2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โ‡ ( ( ๐ด / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ยท 0 ) )
56 24 mul01d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ยท 0 ) = 0 )
57 55 56 breqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โ‡ 0 )
58 9 23 reccld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
59 seqex โŠข seq 0 ( + , ๐น ) โˆˆ V
60 59 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ seq 0 ( + , ๐น ) โˆˆ V )
61 peano2nn0 โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐‘— + 1 ) โˆˆ โ„•0 )
62 expcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐‘— + 1 ) โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) โˆˆ โ„‚ )
63 1 61 62 syl2an โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) โˆˆ โ„‚ )
64 63 42 43 divcld โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
65 52 64 eqeltrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โ€˜ ๐‘— ) โˆˆ โ„‚ )
66 nn0cn โŠข ( ๐‘— โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„‚ )
67 66 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„‚ )
68 pncan โŠข ( ( ๐‘— โˆˆ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘— + 1 ) โˆ’ 1 ) = ๐‘— )
69 67 7 68 sylancl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘— + 1 ) โˆ’ 1 ) = ๐‘— )
70 69 oveq2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 0 ... ( ( ๐‘— + 1 ) โˆ’ 1 ) ) = ( 0 ... ๐‘— ) )
71 70 sumeq1d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ( ๐‘— + 1 ) โˆ’ 1 ) ) ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘— ) ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
72 7 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ 1 โˆˆ โ„‚ )
73 72 63 42 43 divsubdird โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( 1 โˆ’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) = ( ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆ’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) )
74 18 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐ด โ‰  1 )
75 61 adantl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘— + 1 ) โˆˆ โ„•0 )
76 38 74 75 geoser โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ( ๐‘— + 1 ) โˆ’ 1 ) ) ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) = ( ( 1 โˆ’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )
77 52 oveq2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆ’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โ€˜ ๐‘— ) ) = ( ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆ’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘— + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) )
78 73 76 77 3eqtr4d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ( ๐‘— + 1 ) โˆ’ 1 ) ) ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) = ( ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆ’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โ€˜ ๐‘— ) ) )
79 simpll โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘— ) ) โ†’ ๐œ‘ )
80 elfznn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘— ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
81 80 adantl โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘— ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
82 79 81 3 syl2anc โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘— ) ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
83 simpr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘— โˆˆ โ„•0 )
84 83 4 eleqtrdi โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘— โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 0 ) )
85 79 1 syl โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘— ) ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
86 85 81 expcld โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘— ) ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
87 82 84 86 fsumser โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘— ) ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) = ( seq 0 ( + , ๐น ) โ€˜ ๐‘— ) )
88 71 78 87 3eqtr3rd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘— โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( seq 0 ( + , ๐น ) โ€˜ ๐‘— ) = ( ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆ’ ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) ) โ€˜ ๐‘— ) ) )
89 4 5 57 58 60 65 88 climsubc2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ seq 0 ( + , ๐น ) โ‡ ( ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆ’ 0 ) )
90 58 subid1d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) โˆ’ 0 ) = ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )
91 89 90 breqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ seq 0 ( + , ๐น ) โ‡ ( 1 / ( 1 โˆ’ ๐ด ) ) )