Metamath Proof Explorer


Theorem pserdv2

Description: The derivative of a power series on its region of convergence. (Contributed by Mario Carneiro, 31-Mar-2015)

Ref Expression
Hypotheses pserf.g โŠข ๐บ = ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ€˜ ๐‘› ) ยท ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘› ) ) ) )
pserf.f โŠข ๐น = ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† โ†ฆ ฮฃ ๐‘— โˆˆ โ„•0 ( ( ๐บ โ€˜ ๐‘ฆ ) โ€˜ ๐‘— ) )
pserf.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด : โ„•0 โŸถ โ„‚ )
pserf.r โŠข ๐‘… = sup ( { ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆฃ seq 0 ( + , ( ๐บ โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โˆˆ dom โ‡ } , โ„* , < )
psercn.s โŠข ๐‘† = ( โ—ก abs โ€œ ( 0 [,) ๐‘… ) )
psercn.m โŠข ๐‘€ = if ( ๐‘… โˆˆ โ„ , ( ( ( abs โ€˜ ๐‘Ž ) + ๐‘… ) / 2 ) , ( ( abs โ€˜ ๐‘Ž ) + 1 ) )
pserdv.b โŠข ๐ต = ( 0 ( ball โ€˜ ( abs โˆ˜ โˆ’ ) ) ( ( ( abs โ€˜ ๐‘Ž ) + ๐‘€ ) / 2 ) )
Assertion pserdv2 ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚ D ๐น ) = ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† โ†ฆ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 pserf.g โŠข ๐บ = ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โ†ฆ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐ด โ€˜ ๐‘› ) ยท ( ๐‘ฅ โ†‘ ๐‘› ) ) ) )
2 pserf.f โŠข ๐น = ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† โ†ฆ ฮฃ ๐‘— โˆˆ โ„•0 ( ( ๐บ โ€˜ ๐‘ฆ ) โ€˜ ๐‘— ) )
3 pserf.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด : โ„•0 โŸถ โ„‚ )
4 pserf.r โŠข ๐‘… = sup ( { ๐‘Ÿ โˆˆ โ„ โˆฃ seq 0 ( + , ( ๐บ โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โˆˆ dom โ‡ } , โ„* , < )
5 psercn.s โŠข ๐‘† = ( โ—ก abs โ€œ ( 0 [,) ๐‘… ) )
6 psercn.m โŠข ๐‘€ = if ( ๐‘… โˆˆ โ„ , ( ( ( abs โ€˜ ๐‘Ž ) + ๐‘… ) / 2 ) , ( ( abs โ€˜ ๐‘Ž ) + 1 ) )
7 pserdv.b โŠข ๐ต = ( 0 ( ball โ€˜ ( abs โˆ˜ โˆ’ ) ) ( ( ( abs โ€˜ ๐‘Ž ) + ๐‘€ ) / 2 ) )
8 1 2 3 4 5 6 7 pserdv โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚ D ๐น ) = ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† โ†ฆ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„•0 ( ( ( ๐‘š + 1 ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( ๐‘š + 1 ) ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ๐‘š ) ) ) )
9 nn0uz โŠข โ„•0 = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 0 )
10 nnuz โŠข โ„• = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 )
11 1e0p1 โŠข 1 = ( 0 + 1 )
12 11 fveq2i โŠข ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ ( 0 + 1 ) )
13 10 12 eqtri โŠข โ„• = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ ( 0 + 1 ) )
14 id โŠข ( ๐‘˜ = ( 1 + ๐‘š ) โ†’ ๐‘˜ = ( 1 + ๐‘š ) )
15 fveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ( 1 + ๐‘š ) โ†’ ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐ด โ€˜ ( 1 + ๐‘š ) ) )
16 14 15 oveq12d โŠข ( ๐‘˜ = ( 1 + ๐‘š ) โ†’ ( ๐‘˜ ยท ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) ) = ( ( 1 + ๐‘š ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( 1 + ๐‘š ) ) ) )
17 oveq1 โŠข ( ๐‘˜ = ( 1 + ๐‘š ) โ†’ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) = ( ( 1 + ๐‘š ) โˆ’ 1 ) )
18 17 oveq2d โŠข ( ๐‘˜ = ( 1 + ๐‘š ) โ†’ ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) = ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ( 1 + ๐‘š ) โˆ’ 1 ) ) )
19 16 18 oveq12d โŠข ( ๐‘˜ = ( 1 + ๐‘š ) โ†’ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) = ( ( ( 1 + ๐‘š ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( 1 + ๐‘š ) ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ( 1 + ๐‘š ) โˆ’ 1 ) ) ) )
20 1zzd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โ†’ 1 โˆˆ โ„ค )
21 0zd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โ†’ 0 โˆˆ โ„ค )
22 nncn โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ )
23 22 adantl โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ )
24 3 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โ†’ ๐ด : โ„•0 โŸถ โ„‚ )
25 nnnn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
26 ffvelcdm โŠข ( ( ๐ด : โ„•0 โŸถ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
27 24 25 26 syl2an โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
28 23 27 mulcld โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘˜ ยท ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) ) โˆˆ โ„‚ )
29 cnvimass โŠข ( โ—ก abs โ€œ ( 0 [,) ๐‘… ) ) โІ dom abs
30 absf โŠข abs : โ„‚ โŸถ โ„
31 30 fdmi โŠข dom abs = โ„‚
32 29 31 sseqtri โŠข ( โ—ก abs โ€œ ( 0 [,) ๐‘… ) ) โІ โ„‚
33 5 32 eqsstri โŠข ๐‘† โІ โ„‚
34 33 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘† โІ โ„‚ )
35 34 sselda โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ )
36 nnm1nn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) โˆˆ โ„•0 )
37 expcl โŠข ( ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) โˆˆ โ„‚ )
38 35 36 37 syl2an โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) โˆˆ โ„‚ )
39 28 38 mulcld โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) โˆˆ โ„‚ )
40 9 13 19 20 21 39 isumshft โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) = ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„•0 ( ( ( 1 + ๐‘š ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( 1 + ๐‘š ) ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ( 1 + ๐‘š ) โˆ’ 1 ) ) ) )
41 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
42 nn0cn โŠข ( ๐‘š โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘š โˆˆ โ„‚ )
43 42 adantl โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘š โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘š โˆˆ โ„‚ )
44 addcom โŠข ( ( 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘š โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( 1 + ๐‘š ) = ( ๐‘š + 1 ) )
45 41 43 44 sylancr โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘š โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 1 + ๐‘š ) = ( ๐‘š + 1 ) )
46 45 fveq2d โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘š โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ€˜ ( 1 + ๐‘š ) ) = ( ๐ด โ€˜ ( ๐‘š + 1 ) ) )
47 45 46 oveq12d โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘š โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( 1 + ๐‘š ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( 1 + ๐‘š ) ) ) = ( ( ๐‘š + 1 ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( ๐‘š + 1 ) ) ) )
48 pncan2 โŠข ( ( 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘š โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( 1 + ๐‘š ) โˆ’ 1 ) = ๐‘š )
49 41 43 48 sylancr โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘š โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( 1 + ๐‘š ) โˆ’ 1 ) = ๐‘š )
50 49 oveq2d โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘š โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ( 1 + ๐‘š ) โˆ’ 1 ) ) = ( ๐‘ฆ โ†‘ ๐‘š ) )
51 47 50 oveq12d โŠข ( ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘š โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ( 1 + ๐‘š ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( 1 + ๐‘š ) ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ( 1 + ๐‘š ) โˆ’ 1 ) ) ) = ( ( ( ๐‘š + 1 ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( ๐‘š + 1 ) ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ๐‘š ) ) )
52 51 sumeq2dv โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โ†’ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„•0 ( ( ( 1 + ๐‘š ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( 1 + ๐‘š ) ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ( 1 + ๐‘š ) โˆ’ 1 ) ) ) = ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„•0 ( ( ( ๐‘š + 1 ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( ๐‘š + 1 ) ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ๐‘š ) ) )
53 40 52 eqtr2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† ) โ†’ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„•0 ( ( ( ๐‘š + 1 ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( ๐‘š + 1 ) ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ๐‘š ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) )
54 53 mpteq2dva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† โ†ฆ ฮฃ ๐‘š โˆˆ โ„•0 ( ( ( ๐‘š + 1 ) ยท ( ๐ด โ€˜ ( ๐‘š + 1 ) ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ๐‘š ) ) ) = ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† โ†ฆ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) )
55 8 54 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚ D ๐น ) = ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† โ†ฆ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ โ„• ( ( ๐‘˜ ยท ( ๐ด โ€˜ ๐‘˜ ) ) ยท ( ๐‘ฆ โ†‘ ( ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ) ) ) )