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Theorem chfacfpmmulgsum2

Description: Breaking up a sum of values of the "characteristic factor function" multiplied with a constant polynomial matrix. (Contributed by AV, 23-Nov-2019)

Ref Expression
Hypotheses cayhamlem1.a ⊢ A = N Mat R
cayhamlem1.b ⊢ B = Base A
cayhamlem1.p ⊢ P = Poly 1 ⁡ R
cayhamlem1.y ⊢ Y = N Mat P
cayhamlem1.r ⊢ × ˙ = ⋅ Y
cayhamlem1.s ⊢ - ˙ = - Y
cayhamlem1.0 ⊢ 0 ˙ = 0 Y
cayhamlem1.t ⊢ T = N matToPolyMat R
cayhamlem1.g ⊢ G = n ∈ ℕ 0 ⟼ if n = 0 0 ˙ - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ 0 if n = s + 1 T ⁡ b ⁡ s if s + 1 < n 0 ˙ T ⁡ b ⁡ n − 1 - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ n
cayhamlem1.e ⊢ × ˙ = ⋅ mulGrp Y
chfacfpmmulgsum.p ⊢ + ˙ = + Y
Assertion chfacfpmmulgsum2 ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → ∑ Y i ∈ ℕ 0 i × ˙ T ⁡ M × ˙ G ⁡ i = ∑ Y i = 1 s i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ i + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i + ˙ s + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ s - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ 0

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 cayhamlem1.a ⊢ A = N Mat R
2 cayhamlem1.b ⊢ B = Base A
3 cayhamlem1.p ⊢ P = Poly 1 ⁡ R
4 cayhamlem1.y ⊢ Y = N Mat P
5 cayhamlem1.r ⊢ × ˙ = ⋅ Y
6 cayhamlem1.s ⊢ - ˙ = - Y
7 cayhamlem1.0 ⊢ 0 ˙ = 0 Y
8 cayhamlem1.t ⊢ T = N matToPolyMat R
9 cayhamlem1.g ⊢ G = n ∈ ℕ 0 ⟼ if n = 0 0 ˙ - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ 0 if n = s + 1 T ⁡ b ⁡ s if s + 1 < n 0 ˙ T ⁡ b ⁡ n − 1 - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ n
10 cayhamlem1.e ⊢ × ˙ = ⋅ mulGrp Y
11 chfacfpmmulgsum.p ⊢ + ˙ = + Y
12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 chfacfpmmulgsum ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → ∑ Y i ∈ ℕ 0 i × ˙ T ⁡ M × ˙ G ⁡ i = ∑ Y i = 1 s i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i + ˙ s + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ s - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ 0
13 eqid ⊢ Base Y = Base Y
14 crngring ⊢ R ∈ CRing → R ∈ Ring
15 14 anim2i ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing → N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring
16 3 4 pmatring ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring → Y ∈ Ring
17 15 16 syl ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing → Y ∈ Ring
18 17 3adant3 ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → Y ∈ Ring
19 18 ad2antrr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → Y ∈ Ring
20 eqid ⊢ mulGrp Y = mulGrp Y
21 20 ringmgp ⊢ Y ∈ Ring → mulGrp Y ∈ Mnd
22 mndmgm ⊢ mulGrp Y ∈ Mnd → mulGrp Y ∈ Mgm
23 21 22 syl ⊢ Y ∈ Ring → mulGrp Y ∈ Mgm
24 18 23 syl ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → mulGrp Y ∈ Mgm
25 24 ad2antrr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → mulGrp Y ∈ Mgm
26 elfznn ⊢ i ∈ 1 … s → i ∈ ℕ
27 26 adantl ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i ∈ ℕ
28 8 1 2 3 4 mat2pmatbas ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring ∧ M ∈ B → T ⁡ M ∈ Base Y
29 14 28 syl3an2 ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → T ⁡ M ∈ Base Y
30 29 ad2antrr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → T ⁡ M ∈ Base Y
31 20 13 mgpbas ⊢ Base Y = Base mulGrp Y
32 31 10 mulgnncl ⊢ mulGrp Y ∈ Mgm ∧ i ∈ ℕ ∧ T ⁡ M ∈ Base Y → i × ˙ T ⁡ M ∈ Base Y
33 25 27 30 32 syl3anc ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M ∈ Base Y
34 15 3adant3 ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring
35 34 ad2antrr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring
36 elmapi ⊢ b ∈ B 0 … s → b : 0 … s ⟶ B
37 36 adantl ⊢ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → b : 0 … s ⟶ B
38 37 adantl ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → b : 0 … s ⟶ B
39 38 adantr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → b : 0 … s ⟶ B
40 1nn0 ⊢ 1 ∈ ℕ 0
41 40 a1i ⊢ s ∈ ℕ ∧ i ∈ 1 … s → 1 ∈ ℕ 0
42 nnnn0 ⊢ s ∈ ℕ → s ∈ ℕ 0
43 42 adantr ⊢ s ∈ ℕ ∧ i ∈ 1 … s → s ∈ ℕ 0
44 nnge1 ⊢ s ∈ ℕ → 1 ≤ s
45 44 adantr ⊢ s ∈ ℕ ∧ i ∈ 1 … s → 1 ≤ s
46 elfz2nn0 ⊢ 1 ∈ 0 … s ↔ 1 ∈ ℕ 0 ∧ s ∈ ℕ 0 ∧ 1 ≤ s
47 41 43 45 46 syl3anbrc ⊢ s ∈ ℕ ∧ i ∈ 1 … s → 1 ∈ 0 … s
48 simpr ⊢ s ∈ ℕ ∧ i ∈ 1 … s → i ∈ 1 … s
49 fz0fzdiffz0 ⊢ 1 ∈ 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i − 1 ∈ 0 … s
50 47 48 49 syl2anc ⊢ s ∈ ℕ ∧ i ∈ 1 … s → i − 1 ∈ 0 … s
51 50 ex ⊢ s ∈ ℕ → i ∈ 1 … s → i − 1 ∈ 0 … s
52 51 ad2antrl ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → i ∈ 1 … s → i − 1 ∈ 0 … s
53 52 imp ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i − 1 ∈ 0 … s
54 39 53 ffvelcdmd ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → b ⁡ i − 1 ∈ B
55 df-3an ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring ∧ b ⁡ i − 1 ∈ B ↔ N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring ∧ b ⁡ i − 1 ∈ B
56 35 54 55 sylanbrc ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring ∧ b ⁡ i − 1 ∈ B
57 8 1 2 3 4 mat2pmatbas ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring ∧ b ⁡ i − 1 ∈ B → T ⁡ b ⁡ i − 1 ∈ Base Y
58 56 57 syl ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → T ⁡ b ⁡ i − 1 ∈ Base Y
59 34 16 syl ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → Y ∈ Ring
60 59 ad2antrr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → Y ∈ Ring
61 simpl1 ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → N ∈ Fin
62 14 3ad2ant2 ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → R ∈ Ring
63 62 adantr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → R ∈ Ring
64 42 ad2antrl ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → s ∈ ℕ 0
65 61 63 64 3jca ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring ∧ s ∈ ℕ 0
66 65 adantr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring ∧ s ∈ ℕ 0
67 simpr ⊢ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → b ∈ B 0 … s
68 67 adantl ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → b ∈ B 0 … s
69 fz1ssfz0 ⊢ 1 … s ⊆ 0 … s
70 69 sseli ⊢ i ∈ 1 … s → i ∈ 0 … s
71 68 70 anim12i ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 0 … s
72 1 2 3 4 8 m2pmfzmap ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ Ring ∧ s ∈ ℕ 0 ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 0 … s → T ⁡ b ⁡ i ∈ Base Y
73 66 71 72 syl2anc ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → T ⁡ b ⁡ i ∈ Base Y
74 13 5 ringcl ⊢ Y ∈ Ring ∧ T ⁡ M ∈ Base Y ∧ T ⁡ b ⁡ i ∈ Base Y → T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i ∈ Base Y
75 60 30 73 74 syl3anc ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i ∈ Base Y
76 13 5 6 19 33 58 75 ringsubdi ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
77 13 5 ringass ⊢ Y ∈ Ring ∧ i × ˙ T ⁡ M ∈ Base Y ∧ T ⁡ M ∈ Base Y ∧ T ⁡ b ⁡ i ∈ Base Y → i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
78 60 33 30 73 77 syl13anc ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
79 78 eqcomd ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
80 29 31 eleqtrdi ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → T ⁡ M ∈ Base mulGrp Y
81 80 adantr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → T ⁡ M ∈ Base mulGrp Y
82 eqid ⊢ Base mulGrp Y = Base mulGrp Y
83 eqid ⊢ + mulGrp Y = + mulGrp Y
84 82 10 83 mulgnnp1 ⊢ i ∈ ℕ ∧ T ⁡ M ∈ Base mulGrp Y → i + 1 × ˙ T ⁡ M = i × ˙ T ⁡ M + mulGrp Y T ⁡ M
85 26 81 84 syl2anr ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i + 1 × ˙ T ⁡ M = i × ˙ T ⁡ M + mulGrp Y T ⁡ M
86 20 5 mgpplusg ⊢ × ˙ = + mulGrp Y
87 86 eqcomi ⊢ + mulGrp Y = × ˙
88 87 a1i ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → + mulGrp Y = × ˙
89 88 oveqd ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M + mulGrp Y T ⁡ M = i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M
90 85 89 eqtrd ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i + 1 × ˙ T ⁡ M = i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M
91 90 eqcomd ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M = i + 1 × ˙ T ⁡ M
92 91 oveq1d ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = i + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
93 79 92 eqtrd ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = i + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
94 93 oveq2d ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ i + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
95 76 94 eqtrd ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s ∧ i ∈ 1 … s → i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ i + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
96 95 mpteq2dva ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → i ∈ 1 … s ⟼ i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = i ∈ 1 … s ⟼ i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ i + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
97 96 oveq2d ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → ∑ Y i = 1 s i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i = ∑ Y i = 1 s i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ i + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i
98 97 oveq1d ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → ∑ Y i = 1 s i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i + ˙ s + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ s - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ 0 = ∑ Y i = 1 s i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ i + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i + ˙ s + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ s - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ 0
99 12 98 eqtrd ⊢ N ∈ Fin ∧ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ s ∈ ℕ ∧ b ∈ B 0 … s → ∑ Y i ∈ ℕ 0 i × ˙ T ⁡ M × ˙ G ⁡ i = ∑ Y i = 1 s i × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i − 1 - ˙ i + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ i + ˙ s + 1 × ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ s - ˙ T ⁡ M × ˙ T ⁡ b ⁡ 0