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Theorem fsumdvdsmul

Description: Product of two divisor sums. (This is also the main part of the proof that " sum_ k || N F ( k ) is a multiplicative function if F is".) (Contributed by Mario Carneiro, 2-Jul-2015) Avoid ax-mulf . (Revised by GG, 18-Apr-2025)

Ref Expression
Hypotheses mpodvdsmulf1o.1 φ M
mpodvdsmulf1o.2 φ N
mpodvdsmulf1o.3 φ M gcd N = 1
mpodvdsmulf1o.x X = x | x M
mpodvdsmulf1o.y Y = x | x N
mpodvdsmulf1o.z Z = x | x M N
fsumdvdsmul.4 φ j X A
fsumdvdsmul.5 φ k Y B
fsumdvdsmul.6 φ j X k Y A B = D
fsumdvdsmul.7 i = j k C = D
Assertion fsumdvdsmul φ j X A k Y B = i Z C

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 mpodvdsmulf1o.1 φ M
2 mpodvdsmulf1o.2 φ N
3 mpodvdsmulf1o.3 φ M gcd N = 1
4 mpodvdsmulf1o.x X = x | x M
5 mpodvdsmulf1o.y Y = x | x N
6 mpodvdsmulf1o.z Z = x | x M N
7 fsumdvdsmul.4 φ j X A
8 fsumdvdsmul.5 φ k Y B
9 fsumdvdsmul.6 φ j X k Y A B = D
10 fsumdvdsmul.7 i = j k C = D
11 fzfid φ 1 M Fin
12 dvdsssfz1 M x | x M 1 M
13 1 12 syl φ x | x M 1 M
14 4 13 eqsstrid φ X 1 M
15 11 14 ssfid φ X Fin
16 fzfid φ 1 N Fin
17 dvdsssfz1 N x | x N 1 N
18 2 17 syl φ x | x N 1 N
19 5 18 eqsstrid φ Y 1 N
20 16 19 ssfid φ Y Fin
21 20 8 fsumcl φ k Y B
22 15 21 7 fsummulc1 φ j X A k Y B = j X A k Y B
23 20 adantr φ j X Y Fin
24 8 adantlr φ j X k Y B
25 23 7 24 fsummulc2 φ j X A k Y B = k Y A B
26 9 anassrs φ j X k Y A B = D
27 26 sumeq2dv φ j X k Y A B = k Y D
28 25 27 eqtrd φ j X A k Y B = k Y D
29 28 sumeq2dv φ j X A k Y B = j X k Y D
30 elxpi z X × Y u v z = u v u X v Y
31 fveq2 u v = z x , y x y u v = x , y x y z
32 31 eqcoms z = u v x , y x y u v = x , y x y z
33 fveq2 u v = z × u v = × z
34 33 eqcoms z = u v × u v = × z
35 32 34 eqeq12d z = u v x , y x y u v = × u v x , y x y z = × z
36 35 biimpd z = u v x , y x y u v = × u v x , y x y z = × z
37 4 ssrab3 X
38 nnsscn
39 37 38 sstri X
40 39 sseli u X u
41 5 ssrab3 Y
42 41 38 sstri Y
43 42 sseli v Y v
44 ovmpot u v u x , y x y v = u v
45 df-ov u x , y x y v = x , y x y u v
46 df-ov u v = × u v
47 44 45 46 3eqtr3g u v x , y x y u v = × u v
48 40 43 47 syl2an u X v Y x , y x y u v = × u v
49 36 48 impel z = u v u X v Y x , y x y z = × z
50 49 exlimivv u v z = u v u X v Y x , y x y z = × z
51 30 50 syl z X × Y x , y x y z = × z
52 51 eqcomd z X × Y × z = x , y x y z
53 52 csbeq1d z X × Y × z / i C = x , y x y z / i C
54 53 sumeq2i z X × Y × z / i C = z X × Y x , y x y z / i C
55 fveq2 z = j k × z = × j k
56 df-ov j k = × j k
57 55 56 eqtr4di z = j k × z = j k
58 57 csbeq1d z = j k × z / i C = j k / i C
59 ovex j k V
60 59 10 csbie j k / i C = D
61 58 60 eqtrdi z = j k × z / i C = D
62 7 adantrr φ j X k Y A
63 8 adantrl φ j X k Y B
64 62 63 mulcld φ j X k Y A B
65 9 64 eqeltrrd φ j X k Y D
66 61 15 20 65 fsumxp φ j X k Y D = z X × Y × z / i C
67 nfcv _ w C
68 nfcsb1v _ i w / i C
69 csbeq1a i = w C = w / i C
70 67 68 69 cbvsumi i Z C = w Z w / i C
71 csbeq1 w = x , y x y z w / i C = x , y x y z / i C
72 xpfi X Fin Y Fin X × Y Fin
73 15 20 72 syl2anc φ X × Y Fin
74 1 2 3 4 5 6 mpodvdsmulf1o φ x , y x y X × Y : X × Y 1-1 onto Z
75 fvres z X × Y x , y x y X × Y z = x , y x y z
76 75 adantl φ z X × Y x , y x y X × Y z = x , y x y z
77 65 ralrimivva φ j X k Y D
78 61 eleq1d z = j k × z / i C D
79 78 ralxp z X × Y × z / i C j X k Y D
80 77 79 sylibr φ z X × Y × z / i C
81 fveq2 z = w × z = × w
82 81 csbeq1d z = w × z / i C = × w / i C
83 82 eleq1d z = w × z / i C × w / i C
84 83 cbvralvw z X × Y × z / i C w X × Y × w / i C
85 id z X × Y z X × Y
86 82 eqcoms w = z × z / i C = × w / i C
87 86 adantl z X × Y w = z × z / i C = × w / i C
88 87 eleq1d z X × Y w = z × z / i C × w / i C
89 53 eleq1d z X × Y × z / i C x , y x y z / i C
90 89 adantr z X × Y w = z × z / i C x , y x y z / i C
91 88 90 bitr3d z X × Y w = z × w / i C x , y x y z / i C
92 85 91 rspcdv z X × Y w X × Y × w / i C x , y x y z / i C
93 92 com12 w X × Y × w / i C z X × Y x , y x y z / i C
94 93 ralrimiv w X × Y × w / i C z X × Y x , y x y z / i C
95 84 94 sylbi z X × Y × z / i C z X × Y x , y x y z / i C
96 80 95 syl φ z X × Y x , y x y z / i C
97 mpomulf x , y x y : ×
98 ffn x , y x y : × x , y x y Fn ×
99 97 98 ax-mp x , y x y Fn ×
100 xpss12 X Y X × Y ×
101 39 42 100 mp2an X × Y ×
102 71 eleq1d w = x , y x y z w / i C x , y x y z / i C
103 102 ralima x , y x y Fn × X × Y × w x , y x y X × Y w / i C z X × Y x , y x y z / i C
104 99 101 103 mp2an w x , y x y X × Y w / i C z X × Y x , y x y z / i C
105 df-ima x , y x y X × Y = ran x , y x y X × Y
106 f1ofo x , y x y X × Y : X × Y 1-1 onto Z x , y x y X × Y : X × Y onto Z
107 forn x , y x y X × Y : X × Y onto Z ran x , y x y X × Y = Z
108 74 106 107 3syl φ ran x , y x y X × Y = Z
109 105 108 eqtrid φ x , y x y X × Y = Z
110 109 raleqdv φ w x , y x y X × Y w / i C w Z w / i C
111 104 110 bitr3id φ z X × Y x , y x y z / i C w Z w / i C
112 96 111 mpbid φ w Z w / i C
113 112 r19.21bi φ w Z w / i C
114 71 73 74 76 113 fsumf1o φ w Z w / i C = z X × Y x , y x y z / i C
115 70 114 eqtrid φ i Z C = z X × Y x , y x y z / i C
116 54 66 115 3eqtr4a φ j X k Y D = i Z C
117 22 29 116 3eqtrd φ j X A k Y B = i Z C