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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 ∈ ℕ
mpodvdsmulf1o.2 ⊢ φ → N ∈ ℕ
mpodvdsmulf1o.3 ⊢ φ → M gcd N = 1
mpodvdsmulf1o.x ⊢ X = x ∈ ℕ | x ∥ M
mpodvdsmulf1o.y ⊢ Y = x ∈ ℕ | x ∥ N
mpodvdsmulf1o.z ⊢ Z = x ∈ ℕ | x ∥ M ⋅ N
fsumdvdsmul.4 ⊢ φ ∧ j ∈ X → A ∈ ℂ
fsumdvdsmul.5 ⊢ φ ∧ k ∈ Y → B ∈ ℂ
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 ∈ ℕ
2 mpodvdsmulf1o.2 ⊢ φ → N ∈ ℕ
3 mpodvdsmulf1o.3 ⊢ φ → M gcd N = 1
4 mpodvdsmulf1o.x ⊢ X = x ∈ ℕ | x ∥ M
5 mpodvdsmulf1o.y ⊢ Y = x ∈ ℕ | x ∥ N
6 mpodvdsmulf1o.z ⊢ Z = x ∈ ℕ | x ∥ M ⋅ N
7 fsumdvdsmul.4 ⊢ φ ∧ j ∈ X → A ∈ ℂ
8 fsumdvdsmul.5 ⊢ φ ∧ k ∈ Y → B ∈ ℂ
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 ∈ ℕ → x ∈ ℕ | x ∥ M ⊆ 1 … M
13 1 12 syl ⊢ φ → x ∈ ℕ | 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 ∈ ℕ → x ∈ ℕ | x ∥ N ⊆ 1 … N
18 2 17 syl ⊢ φ → x ∈ ℕ | 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 ∈ ℂ
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 ∈ ℂ
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 ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ u v = x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z
32 31 eqcoms ⊢ z = u v → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ u v = x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ 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 ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ u v = × ⁡ u v ↔ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z = × ⁡ z
36 35 biimpd ⊢ z = u v → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ u v = × ⁡ u v → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z = × ⁡ z
37 4 ssrab3 ⊢ X ⊆ ℕ
38 nnsscn ⊢ ℕ ⊆ ℂ
39 37 38 sstri ⊢ X ⊆ ℂ
40 39 sseli ⊢ u ∈ X → u ∈ ℂ
41 5 ssrab3 ⊢ Y ⊆ ℕ
42 41 38 sstri ⊢ Y ⊆ ℂ
43 42 sseli ⊢ v ∈ Y → v ∈ ℂ
44 ovmpot ⊢ u ∈ ℂ ∧ v ∈ ℂ → u x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y v = u ⁢ v
45 df-ov ⊢ u x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y v = x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ u v
46 df-ov ⊢ u ⁢ v = × ⁡ u v
47 44 45 46 3eqtr3g ⊢ u ∈ ℂ ∧ v ∈ ℂ → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ u v = × ⁡ u v
48 40 43 47 syl2an ⊢ u ∈ X ∧ v ∈ Y → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ u v = × ⁡ u v
49 36 48 impel ⊢ z = u v ∧ u ∈ X ∧ v ∈ Y → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z = × ⁡ z
50 49 exlimivv ⊢ ∃ u ∃ v z = u v ∧ u ∈ X ∧ v ∈ Y → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z = × ⁡ z
51 30 50 syl ⊢ z ∈ X × Y → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z = × ⁡ z
52 51 eqcomd ⊢ z ∈ X × Y → × ⁡ z = x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z
53 52 csbeq1d ⊢ z ∈ X × Y → ⦋ × ⁡ z / i⦌ C = ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C
54 53 sumeq2i ⊢ ∑ z ∈ X × Y ⦋ × ⁡ z / i⦌ C = ∑ z ∈ X × Y ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ 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 ∈ ℂ
63 8 adantrl ⊢ φ ∧ j ∈ X ∧ k ∈ Y → B ∈ ℂ
64 62 63 mulcld ⊢ φ ∧ j ∈ X ∧ k ∈ Y → A ⁢ B ∈ ℂ
65 9 64 eqeltrrd ⊢ φ ∧ j ∈ X ∧ k ∈ Y → D ∈ ℂ
66 61 15 20 65 fsumxp ⊢ φ → ∑ j ∈ X ∑ k ∈ Y D = ∑ z ∈ X × Y ⦋ × ⁡ z / i⦌ C
67 csbeq1a ⊢ i = w → C = ⦋ w / i⦌ C
68 nfcv ⊢ Ⅎ _ w C
69 nfcsb1v ⊢ Ⅎ _ i ⦋ w / i⦌ C
70 67 68 69 cbvsum ⊢ ∑ i ∈ Z C = ∑ w ∈ Z ⦋ w / i⦌ C
71 csbeq1 ⊢ w = x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z → ⦋ w / i⦌ C = ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ 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 ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ↾ X × Y : X × Y ⟶ 1-1 onto Z
75 fvres ⊢ z ∈ X × Y → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ↾ X × Y ⁡ z = x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z
76 75 adantl ⊢ φ ∧ z ∈ X × Y → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ↾ X × Y ⁡ z = x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z
77 65 ralrimivva ⊢ φ → ∀ j ∈ X ∀ k ∈ Y D ∈ ℂ
78 61 eleq1d ⊢ z = j k → ⦋ × ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ ↔ D ∈ ℂ
79 78 ralxp ⊢ ∀ z ∈ X × Y ⦋ × ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ∀ j ∈ X ∀ k ∈ Y D ∈ ℂ
80 77 79 sylibr ⊢ φ → ∀ z ∈ X × Y ⦋ × ⁡ z / i⦌ C ∈ 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 ∈ ℂ ↔ ⦋ × ⁡ w / i⦌ C ∈ ℂ
84 83 cbvralvw ⊢ ∀ z ∈ X × Y ⦋ × ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ∀ w ∈ X × Y ⦋ × ⁡ w / i⦌ C ∈ 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 ∈ ℂ ↔ ⦋ × ⁡ w / i⦌ C ∈ ℂ
89 53 eleq1d ⊢ z ∈ X × Y → ⦋ × ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
90 89 adantr ⊢ z ∈ X × Y ∧ w = z → ⦋ × ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
91 88 90 bitr3d ⊢ z ∈ X × Y ∧ w = z → ⦋ × ⁡ w / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
92 85 91 rspcdv ⊢ z ∈ X × Y → ∀ w ∈ X × Y ⦋ × ⁡ w / i⦌ C ∈ ℂ → ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
93 92 com12 ⊢ ∀ w ∈ X × Y ⦋ × ⁡ w / i⦌ C ∈ ℂ → z ∈ X × Y → ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
94 93 ralrimiv ⊢ ∀ w ∈ X × Y ⦋ × ⁡ w / i⦌ C ∈ ℂ → ∀ z ∈ X × Y ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
95 84 94 sylbi ⊢ ∀ z ∈ X × Y ⦋ × ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ → ∀ z ∈ X × Y ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
96 80 95 syl ⊢ φ → ∀ z ∈ X × Y ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
97 mpomulf ⊢ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y : ℂ × ℂ ⟶ ℂ
98 ffn ⊢ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y : ℂ × ℂ ⟶ ℂ → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y Fn ℂ × ℂ
99 97 98 ax-mp ⊢ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y Fn ℂ × ℂ
100 xpss12 ⊢ X ⊆ ℂ ∧ Y ⊆ ℂ → X × Y ⊆ ℂ × ℂ
101 39 42 100 mp2an ⊢ X × Y ⊆ ℂ × ℂ
102 71 eleq1d ⊢ w = x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z → ⦋ w / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
103 102 ralima ⊢ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y Fn ℂ × ℂ ∧ X × Y ⊆ ℂ × ℂ → ∀ w ∈ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y X × Y ⦋ w / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ∀ z ∈ X × Y ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
104 99 101 103 mp2an ⊢ ∀ w ∈ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y X × Y ⦋ w / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ∀ z ∈ X × Y ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ
105 df-ima ⊢ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y X × Y = ran ⁡ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ↾ X × Y
106 f1ofo ⊢ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ↾ X × Y : X × Y ⟶ 1-1 onto Z → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ↾ X × Y : X × Y ⟶ onto Z
107 forn ⊢ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ↾ X × Y : X × Y ⟶ onto Z → ran ⁡ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ↾ X × Y = Z
108 74 106 107 3syl ⊢ φ → ran ⁡ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ↾ X × Y = Z
109 105 108 eqtrid ⊢ φ → x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y X × Y = Z
110 109 raleqdv ⊢ φ → ∀ w ∈ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y X × Y ⦋ w / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ∀ w ∈ Z ⦋ w / i⦌ C ∈ ℂ
111 104 110 bitr3id ⊢ φ → ∀ z ∈ X × Y ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C ∈ ℂ ↔ ∀ w ∈ Z ⦋ w / i⦌ C ∈ ℂ
112 96 111 mpbid ⊢ φ → ∀ w ∈ Z ⦋ w / i⦌ C ∈ ℂ
113 112 r19.21bi ⊢ φ ∧ w ∈ Z → ⦋ w / i⦌ C ∈ ℂ
114 71 73 74 76 113 fsumf1o ⊢ φ → ∑ w ∈ Z ⦋ w / i⦌ C = ∑ z ∈ X × Y ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ x ⁢ y ⁡ z / i⦌ C
115 70 114 eqtrid ⊢ φ → ∑ i ∈ Z C = ∑ z ∈ X × Y ⦋ x ∈ ℂ , y ∈ ℂ ⟼ 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