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Theorem gsumpart

Description: Express a group sum as a double sum, grouping along a (possibly infinite) partition. (Contributed by Thierry Arnoux, 22-Jun-2024)

Ref Expression
Hypotheses gsumpart.b ⊢ B = Base G
gsumpart.z ⊢ 0 ˙ = 0 G
gsumpart.g ⊢ φ → G ∈ CMnd
gsumpart.a ⊢ φ → A ∈ V
gsumpart.x ⊢ φ → X ∈ W
gsumpart.f ⊢ φ → F : A ⟶ B
gsumpart.w ⊢ φ → finSupp 0 ˙⁡ F
gsumpart.1 ⊢ φ → Disj x ∈ X C
gsumpart.2 ⊢ φ → ⋃ x ∈ X C = A
Assertion gsumpart ⊢ φ → ∑ G F = ∑ G x ∈ X ∑ G F ↾ C

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 gsumpart.b ⊢ B = Base G
2 gsumpart.z ⊢ 0 ˙ = 0 G
3 gsumpart.g ⊢ φ → G ∈ CMnd
4 gsumpart.a ⊢ φ → A ∈ V
5 gsumpart.x ⊢ φ → X ∈ W
6 gsumpart.f ⊢ φ → F : A ⟶ B
7 gsumpart.w ⊢ φ → finSupp 0 ˙⁡ F
8 gsumpart.1 ⊢ φ → Disj x ∈ X C
9 gsumpart.2 ⊢ φ → ⋃ x ∈ X C = A
10 eqid ⊢ ⋃ x ∈ X x × C = ⋃ x ∈ X x × C
11 10 4 5 8 9 2ndresdjuf1o ⊢ φ → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C : ⋃ x ∈ X x × C ⟶ 1-1 onto A
12 1 2 3 4 6 7 11 gsumf1o ⊢ φ → ∑ G F = ∑ G F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C
13 vsnex ⊢ x ∈ V
14 13 a1i ⊢ φ ∧ x ∈ X → x ∈ V
15 4 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ X → A ∈ V
16 ssidd ⊢ φ → A ⊆ A
17 9 16 eqsstrd ⊢ φ → ⋃ x ∈ X C ⊆ A
18 iunss ⊢ ⋃ x ∈ X C ⊆ A ↔ ∀ x ∈ X C ⊆ A
19 17 18 sylib ⊢ φ → ∀ x ∈ X C ⊆ A
20 19 r19.21bi ⊢ φ ∧ x ∈ X → C ⊆ A
21 15 20 ssexd ⊢ φ ∧ x ∈ X → C ∈ V
22 14 21 xpexd ⊢ φ ∧ x ∈ X → x × C ∈ V
23 22 ralrimiva ⊢ φ → ∀ x ∈ X x × C ∈ V
24 iunexg ⊢ X ∈ W ∧ ∀ x ∈ X x × C ∈ V → ⋃ x ∈ X x × C ∈ V
25 5 23 24 syl2anc ⊢ φ → ⋃ x ∈ X x × C ∈ V
26 relxp ⊢ Rel ⁡ x × C
27 26 a1i ⊢ φ ∧ x ∈ X → Rel ⁡ x × C
28 27 ralrimiva ⊢ φ → ∀ x ∈ X Rel ⁡ x × C
29 reliun ⊢ Rel ⁡ ⋃ x ∈ X x × C ↔ ∀ x ∈ X Rel ⁡ x × C
30 28 29 sylibr ⊢ φ → Rel ⁡ ⋃ x ∈ X x × C
31 dmiun ⊢ dom ⁡ ⋃ x ∈ X x × C = ⋃ x ∈ X dom ⁡ x × C
32 dmxpss ⊢ dom ⁡ x × C ⊆ x
33 32 rgenw ⊢ ∀ x ∈ X dom ⁡ x × C ⊆ x
34 ss2iun ⊢ ∀ x ∈ X dom ⁡ x × C ⊆ x → ⋃ x ∈ X dom ⁡ x × C ⊆ ⋃ x ∈ X x
35 33 34 ax-mp ⊢ ⋃ x ∈ X dom ⁡ x × C ⊆ ⋃ x ∈ X x
36 31 35 eqsstri ⊢ dom ⁡ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ ⋃ x ∈ X x
37 iunid ⊢ ⋃ x ∈ X x = X
38 36 37 sseqtri ⊢ dom ⁡ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ X
39 38 a1i ⊢ φ → dom ⁡ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ X
40 fo2nd ⊢ 2 nd : V ⟶ onto V
41 fof ⊢ 2 nd : V ⟶ onto V → 2 nd : V ⟶ V
42 40 41 ax-mp ⊢ 2 nd : V ⟶ V
43 ssv ⊢ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ V
44 fssres ⊢ 2 nd : V ⟶ V ∧ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ V → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C : ⋃ x ∈ X x × C ⟶ V
45 42 43 44 mp2an ⊢ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C : ⋃ x ∈ X x × C ⟶ V
46 ffn ⊢ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C : ⋃ x ∈ X x × C ⟶ V → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C Fn ⋃ x ∈ X x × C
47 45 46 mp1i ⊢ φ → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C Fn ⋃ x ∈ X x × C
48 djussxp2 ⊢ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ X × ⋃ x ∈ X C
49 imass2 ⊢ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ X × ⋃ x ∈ X C → 2 nd ⋃ x ∈ X x × C ⊆ 2 nd X × ⋃ x ∈ X C
50 48 49 ax-mp ⊢ 2 nd ⋃ x ∈ X x × C ⊆ 2 nd X × ⋃ x ∈ X C
51 ima0 ⊢ 2 nd ∅ = ∅
52 xpeq1 ⊢ X = ∅ → X × ⋃ x ∈ X C = ∅ × ⋃ x ∈ X C
53 0xp ⊢ ∅ × ⋃ x ∈ X C = ∅
54 52 53 eqtrdi ⊢ X = ∅ → X × ⋃ x ∈ X C = ∅
55 54 imaeq2d ⊢ X = ∅ → 2 nd X × ⋃ x ∈ X C = 2 nd ∅
56 iuneq1 ⊢ X = ∅ → ⋃ x ∈ X C = ⋃ x ∈ ∅ C
57 0iun ⊢ ⋃ x ∈ ∅ C = ∅
58 56 57 eqtrdi ⊢ X = ∅ → ⋃ x ∈ X C = ∅
59 51 55 58 3eqtr4a ⊢ X = ∅ → 2 nd X × ⋃ x ∈ X C = ⋃ x ∈ X C
60 59 adantl ⊢ φ ∧ X = ∅ → 2 nd X × ⋃ x ∈ X C = ⋃ x ∈ X C
61 2ndimaxp ⊢ X ≠ ∅ → 2 nd X × ⋃ x ∈ X C = ⋃ x ∈ X C
62 61 adantl ⊢ φ ∧ X ≠ ∅ → 2 nd X × ⋃ x ∈ X C = ⋃ x ∈ X C
63 60 62 pm2.61dane ⊢ φ → 2 nd X × ⋃ x ∈ X C = ⋃ x ∈ X C
64 63 9 eqtrd ⊢ φ → 2 nd X × ⋃ x ∈ X C = A
65 50 64 sseqtrid ⊢ φ → 2 nd ⋃ x ∈ X x × C ⊆ A
66 resssxp ⊢ 2 nd ⋃ x ∈ X x × C ⊆ A ↔ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ ⋃ x ∈ X x × C × A
67 65 66 sylib ⊢ φ → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ ⋃ x ∈ X x × C × A
68 dff2 ⊢ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C : ⋃ x ∈ X x × C ⟶ A ↔ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C Fn ⋃ x ∈ X x × C ∧ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ ⋃ x ∈ X x × C × A
69 47 67 68 sylanbrc ⊢ φ → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C : ⋃ x ∈ X x × C ⟶ A
70 6 69 fcod ⊢ φ → F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C : ⋃ x ∈ X x × C ⟶ B
71 10 4 5 8 9 2ndresdju ⊢ φ → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C : ⋃ x ∈ X x × C ⟶ 1-1 A
72 2 fvexi ⊢ 0 ˙ ∈ V
73 72 a1i ⊢ φ → 0 ˙ ∈ V
74 6 4 fexd ⊢ φ → F ∈ V
75 7 71 73 74 fsuppco ⊢ φ → finSupp 0 ˙⁡ F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C
76 1 2 3 25 30 5 39 70 75 gsum2d ⊢ φ → ∑ G F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C = ∑ G y ∈ X ∑ G z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y y F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C z
77 nfcsb1v ⊢ Ⅎ _ x ⦋ y / x⦌ C
78 csbeq1a ⊢ x = y → C = ⦋ y / x⦌ C
79 5 21 77 78 iunsnima2 ⊢ φ ∧ y ∈ X → ⋃ x ∈ X x × C y = ⦋ y / x⦌ C
80 df-ov ⊢ y F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C z = F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⁡ y z
81 69 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C : ⋃ x ∈ X x × C ⟶ A
82 simplr ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → y ∈ X
83 vsnid ⊢ y ∈ y
84 83 a1i ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → y ∈ y
85 79 eleq2d ⊢ φ ∧ y ∈ X → z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y ↔ z ∈ ⦋ y / x⦌ C
86 85 biimpa ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → z ∈ ⦋ y / x⦌ C
87 84 86 opelxpd ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → y z ∈ y × ⦋ y / x⦌ C
88 nfcv ⊢ Ⅎ _ x y
89 88 77 nfxp ⊢ Ⅎ _ x y × ⦋ y / x⦌ C
90 89 nfel2 ⊢ Ⅎ x y z ∈ y × ⦋ y / x⦌ C
91 sneq ⊢ x = y → x = y
92 91 78 xpeq12d ⊢ x = y → x × C = y × ⦋ y / x⦌ C
93 92 eleq2d ⊢ x = y → y z ∈ x × C ↔ y z ∈ y × ⦋ y / x⦌ C
94 90 93 rspce ⊢ y ∈ X ∧ y z ∈ y × ⦋ y / x⦌ C → ∃ x ∈ X y z ∈ x × C
95 82 87 94 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → ∃ x ∈ X y z ∈ x × C
96 eliun ⊢ y z ∈ ⋃ x ∈ X x × C ↔ ∃ x ∈ X y z ∈ x × C
97 95 96 sylibr ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → y z ∈ ⋃ x ∈ X x × C
98 81 97 fvco3d ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⁡ y z = F ⁡ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⁡ y z
99 97 fvresd ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⁡ y z = 2 nd ⁡ y z
100 vex ⊢ y ∈ V
101 vex ⊢ z ∈ V
102 100 101 op2nd ⊢ 2 nd ⁡ y z = z
103 99 102 eqtrdi ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⁡ y z = z
104 103 fveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → F ⁡ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⁡ y z = F ⁡ z
105 98 104 eqtrd ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C ⁡ y z = F ⁡ z
106 80 105 eqtrid ⊢ φ ∧ y ∈ X ∧ z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y → y F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C z = F ⁡ z
107 79 106 mpteq12dva ⊢ φ ∧ y ∈ X → z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y ⟼ y F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C z = z ∈ ⦋ y / x⦌ C ⟼ F ⁡ z
108 6 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ X → F : A ⟶ B
109 imassrn ⊢ ⋃ x ∈ X x × C y ⊆ ran ⁡ ⋃ x ∈ X x × C
110 9 xpeq2d ⊢ φ → X × ⋃ x ∈ X C = X × A
111 48 110 sseqtrid ⊢ φ → ⋃ x ∈ X x × C ⊆ X × A
112 rnss ⊢ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ X × A → ran ⁡ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ ran ⁡ X × A
113 111 112 syl ⊢ φ → ran ⁡ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ ran ⁡ X × A
114 113 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ X → ran ⁡ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ ran ⁡ X × A
115 rnxpss ⊢ ran ⁡ X × A ⊆ A
116 114 115 sstrdi ⊢ φ ∧ y ∈ X → ran ⁡ ⋃ x ∈ X x × C ⊆ A
117 109 116 sstrid ⊢ φ ∧ y ∈ X → ⋃ x ∈ X x × C y ⊆ A
118 79 117 eqsstrrd ⊢ φ ∧ y ∈ X → ⦋ y / x⦌ C ⊆ A
119 108 118 feqresmpt ⊢ φ ∧ y ∈ X → F ↾ ⦋ y / x⦌ C = z ∈ ⦋ y / x⦌ C ⟼ F ⁡ z
120 107 119 eqtr4d ⊢ φ ∧ y ∈ X → z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y ⟼ y F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C z = F ↾ ⦋ y / x⦌ C
121 120 oveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ X → ∑ G z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y y F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C z = ∑ G F ↾ ⦋ y / x⦌ C
122 121 mpteq2dva ⊢ φ → y ∈ X ⟼ ∑ G z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y y F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C z = y ∈ X ⟼ ∑ G F ↾ ⦋ y / x⦌ C
123 nfcv ⊢ Ⅎ _ y ∑ G F ↾ C
124 nfcv ⊢ Ⅎ _ x G
125 nfcv ⊢ Ⅎ _ x Σ𝑔
126 nfcv ⊢ Ⅎ _ x F
127 126 77 nfres ⊢ Ⅎ _ x F ↾ ⦋ y / x⦌ C
128 124 125 127 nfov ⊢ Ⅎ _ x ∑ G F ↾ ⦋ y / x⦌ C
129 78 reseq2d ⊢ x = y → F ↾ C = F ↾ ⦋ y / x⦌ C
130 129 oveq2d ⊢ x = y → ∑ G F ↾ C = ∑ G F ↾ ⦋ y / x⦌ C
131 123 128 130 cbvmpt ⊢ x ∈ X ⟼ ∑ G F ↾ C = y ∈ X ⟼ ∑ G F ↾ ⦋ y / x⦌ C
132 122 131 eqtr4di ⊢ φ → y ∈ X ⟼ ∑ G z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y y F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C z = x ∈ X ⟼ ∑ G F ↾ C
133 132 oveq2d ⊢ φ → ∑ G y ∈ X ∑ G z ∈ ⋃ x ∈ X x × C y y F ∘ 2 nd ↾ ⋃ x ∈ X x × C z = ∑ G x ∈ X ∑ G F ↾ C
134 12 76 133 3eqtrd ⊢ φ → ∑ G F = ∑ G x ∈ X ∑ G F ↾ C