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Theorem telgsumfzs

Description: Telescoping group sum ranging over a finite set of sequential integers, using explicit substitution. (Contributed by AV, 23-Nov-2019)

Ref Expression
Hypotheses telgsumfzs.b ⊢ B = Base G
telgsumfzs.g ⊢ φ → G ∈ Abel
telgsumfzs.m ⊢ - ˙ = - G
telgsumfzs.n ⊢ φ → N ∈ ℤ ≥ M
telgsumfzs.f ⊢ φ → ∀ k ∈ M … N + 1 C ∈ B
Assertion telgsumfzs ⊢ φ → ∑ G i = M N ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ N + 1 / k⦌ C

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 telgsumfzs.b ⊢ B = Base G
2 telgsumfzs.g ⊢ φ → G ∈ Abel
3 telgsumfzs.m ⊢ - ˙ = - G
4 telgsumfzs.n ⊢ φ → N ∈ ℤ ≥ M
5 telgsumfzs.f ⊢ φ → ∀ k ∈ M … N + 1 C ∈ B
6 oveq1 ⊢ x = M → x + 1 = M + 1
7 6 oveq2d ⊢ x = M → M … x + 1 = M … M + 1
8 7 raleqdv ⊢ x = M → ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B ↔ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B
9 8 anbi2d ⊢ x = M → φ ∧ ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B ↔ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B
10 oveq2 ⊢ x = M → M … x = M … M
11 10 mpteq1d ⊢ x = M → i ∈ M … x ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = i ∈ M … M ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
12 11 oveq2d ⊢ x = M → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ∑ G i = M M ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
13 6 csbeq1d ⊢ x = M → ⦋ x + 1 / k⦌ C = ⦋ M + 1 / k⦌ C
14 13 oveq2d ⊢ x = M → ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ M + 1 / k⦌ C
15 12 14 eqeq12d ⊢ x = M → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C ↔ ∑ G i = M M ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ M + 1 / k⦌ C
16 9 15 imbi12d ⊢ x = M → φ ∧ ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C ↔ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → ∑ G i = M M ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ M + 1 / k⦌ C
17 oveq1 ⊢ x = y → x + 1 = y + 1
18 17 oveq2d ⊢ x = y → M … x + 1 = M … y + 1
19 18 raleqdv ⊢ x = y → ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B ↔ ∀ k ∈ M … y + 1 C ∈ B
20 19 anbi2d ⊢ x = y → φ ∧ ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B ↔ φ ∧ ∀ k ∈ M … y + 1 C ∈ B
21 oveq2 ⊢ x = y → M … x = M … y
22 21 mpteq1d ⊢ x = y → i ∈ M … x ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = i ∈ M … y ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
23 22 oveq2d ⊢ x = y → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ∑ G i = M y ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
24 17 csbeq1d ⊢ x = y → ⦋ x + 1 / k⦌ C = ⦋ y + 1 / k⦌ C
25 24 oveq2d ⊢ x = y → ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 / k⦌ C
26 23 25 eqeq12d ⊢ x = y → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C ↔ ∑ G i = M y ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 / k⦌ C
27 20 26 imbi12d ⊢ x = y → φ ∧ ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C ↔ φ ∧ ∀ k ∈ M … y + 1 C ∈ B → ∑ G i = M y ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 / k⦌ C
28 oveq1 ⊢ x = y + 1 → x + 1 = y + 1 + 1
29 28 oveq2d ⊢ x = y + 1 → M … x + 1 = M … y + 1 + 1
30 29 raleqdv ⊢ x = y + 1 → ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B ↔ ∀ k ∈ M … y + 1 + 1 C ∈ B
31 30 anbi2d ⊢ x = y + 1 → φ ∧ ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B ↔ φ ∧ ∀ k ∈ M … y + 1 + 1 C ∈ B
32 oveq2 ⊢ x = y + 1 → M … x = M … y + 1
33 32 mpteq1d ⊢ x = y + 1 → i ∈ M … x ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = i ∈ M … y + 1 ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
34 33 oveq2d ⊢ x = y + 1 → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ∑ G i = M y + 1 ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
35 28 csbeq1d ⊢ x = y + 1 → ⦋ x + 1 / k⦌ C = ⦋ y + 1 + 1 / k⦌ C
36 35 oveq2d ⊢ x = y + 1 → ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 + 1 / k⦌ C
37 34 36 eqeq12d ⊢ x = y + 1 → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C ↔ ∑ G i = M y + 1 ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 + 1 / k⦌ C
38 31 37 imbi12d ⊢ x = y + 1 → φ ∧ ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C ↔ φ ∧ ∀ k ∈ M … y + 1 + 1 C ∈ B → ∑ G i = M y + 1 ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 + 1 / k⦌ C
39 oveq1 ⊢ x = N → x + 1 = N + 1
40 39 oveq2d ⊢ x = N → M … x + 1 = M … N + 1
41 40 raleqdv ⊢ x = N → ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B ↔ ∀ k ∈ M … N + 1 C ∈ B
42 41 anbi2d ⊢ x = N → φ ∧ ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B ↔ φ ∧ ∀ k ∈ M … N + 1 C ∈ B
43 oveq2 ⊢ x = N → M … x = M … N
44 43 mpteq1d ⊢ x = N → i ∈ M … x ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = i ∈ M … N ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
45 44 oveq2d ⊢ x = N → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ∑ G i = M N ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
46 39 csbeq1d ⊢ x = N → ⦋ x + 1 / k⦌ C = ⦋ N + 1 / k⦌ C
47 46 oveq2d ⊢ x = N → ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ N + 1 / k⦌ C
48 45 47 eqeq12d ⊢ x = N → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C ↔ ∑ G i = M N ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ N + 1 / k⦌ C
49 42 48 imbi12d ⊢ x = N → φ ∧ ∀ k ∈ M … x + 1 C ∈ B → ∑ G i = M x ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ x + 1 / k⦌ C ↔ φ ∧ ∀ k ∈ M … N + 1 C ∈ B → ∑ G i = M N ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ N + 1 / k⦌ C
50 eluzel2 ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → M ∈ ℤ
51 4 50 syl ⊢ φ → M ∈ ℤ
52 51 adantr ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → M ∈ ℤ
53 fzsn ⊢ M ∈ ℤ → M … M = M
54 52 53 syl ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → M … M = M
55 54 mpteq1d ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → i ∈ M … M ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = i ∈ M ⟼ ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
56 55 oveq2d ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → ∑ G i = M M ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ∑ G i ∈ M ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C
57 ablgrp ⊢ G ∈ Abel → G ∈ Grp
58 2 57 syl ⊢ φ → G ∈ Grp
59 58 grpmndd ⊢ φ → G ∈ Mnd
60 59 adantr ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → G ∈ Mnd
61 58 adantr ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → G ∈ Grp
62 uzid ⊢ M ∈ ℤ → M ∈ ℤ ≥ M
63 52 62 syl ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → M ∈ ℤ ≥ M
64 peano2uz ⊢ M ∈ ℤ ≥ M → M + 1 ∈ ℤ ≥ M
65 63 64 syl ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → M + 1 ∈ ℤ ≥ M
66 eluzfz1 ⊢ M + 1 ∈ ℤ ≥ M → M ∈ M … M + 1
67 65 66 syl ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → M ∈ M … M + 1
68 rspcsbela ⊢ M ∈ M … M + 1 ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → ⦋ M / k⦌ C ∈ B
69 67 68 sylancom ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → ⦋ M / k⦌ C ∈ B
70 eluzfz2 ⊢ M + 1 ∈ ℤ ≥ M → M + 1 ∈ M … M + 1
71 65 70 syl ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → M + 1 ∈ M … M + 1
72 rspcsbela ⊢ M + 1 ∈ M … M + 1 ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → ⦋ M + 1 / k⦌ C ∈ B
73 71 72 sylancom ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → ⦋ M + 1 / k⦌ C ∈ B
74 1 3 grpsubcl ⊢ G ∈ Grp ∧ ⦋ M / k⦌ C ∈ B ∧ ⦋ M + 1 / k⦌ C ∈ B → ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ M + 1 / k⦌ C ∈ B
75 61 69 73 74 syl3anc ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ M + 1 / k⦌ C ∈ B
76 csbeq1 ⊢ i = M → ⦋ i / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C
77 oveq1 ⊢ i = M → i + 1 = M + 1
78 77 csbeq1d ⊢ i = M → ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M + 1 / k⦌ C
79 76 78 oveq12d ⊢ i = M → ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ M + 1 / k⦌ C
80 79 adantl ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B ∧ i = M → ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ M + 1 / k⦌ C
81 1 60 52 75 80 gsumsnd ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → ∑ G i ∈ M ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ M + 1 / k⦌ C
82 56 81 eqtrd ⊢ φ ∧ ∀ k ∈ M … M + 1 C ∈ B → ∑ G i = M M ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ M + 1 / k⦌ C
83 1 2 3 telgsumfzslem ⊢ y ∈ ℤ ≥ M ∧ φ ∧ ∀ k ∈ M … y + 1 + 1 C ∈ B → ∑ G i = M y ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 / k⦌ C → ∑ G i = M y + 1 ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 + 1 / k⦌ C
84 83 ex ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → φ ∧ ∀ k ∈ M … y + 1 + 1 C ∈ B → ∑ G i = M y ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 / k⦌ C → ∑ G i = M y + 1 ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 + 1 / k⦌ C
85 eluzelz ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → y ∈ ℤ
86 85 peano2zd ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → y + 1 ∈ ℤ
87 86 peano2zd ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → y + 1 + 1 ∈ ℤ
88 peano2z ⊢ y ∈ ℤ → y + 1 ∈ ℤ
89 88 zred ⊢ y ∈ ℤ → y + 1 ∈ ℝ
90 85 89 syl ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → y + 1 ∈ ℝ
91 90 lep1d ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → y + 1 ≤ y + 1 + 1
92 eluz2 ⊢ y + 1 + 1 ∈ ℤ ≥ y + 1 ↔ y + 1 ∈ ℤ ∧ y + 1 + 1 ∈ ℤ ∧ y + 1 ≤ y + 1 + 1
93 86 87 91 92 syl3anbrc ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → y + 1 + 1 ∈ ℤ ≥ y + 1
94 fzss2 ⊢ y + 1 + 1 ∈ ℤ ≥ y + 1 → M … y + 1 ⊆ M … y + 1 + 1
95 93 94 syl ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → M … y + 1 ⊆ M … y + 1 + 1
96 ssralv ⊢ M … y + 1 ⊆ M … y + 1 + 1 → ∀ k ∈ M … y + 1 + 1 C ∈ B → ∀ k ∈ M … y + 1 C ∈ B
97 95 96 syl ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → ∀ k ∈ M … y + 1 + 1 C ∈ B → ∀ k ∈ M … y + 1 C ∈ B
98 97 adantld ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → φ ∧ ∀ k ∈ M … y + 1 + 1 C ∈ B → ∀ k ∈ M … y + 1 C ∈ B
99 84 98 a2and ⊢ y ∈ ℤ ≥ M → φ ∧ ∀ k ∈ M … y + 1 C ∈ B → ∑ G i = M y ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 / k⦌ C → φ ∧ ∀ k ∈ M … y + 1 + 1 C ∈ B → ∑ G i = M y + 1 ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ y + 1 + 1 / k⦌ C
100 16 27 38 49 82 99 uzind4i ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → φ ∧ ∀ k ∈ M … N + 1 C ∈ B → ∑ G i = M N ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ N + 1 / k⦌ C
101 100 expd ⊢ N ∈ ℤ ≥ M → φ → ∀ k ∈ M … N + 1 C ∈ B → ∑ G i = M N ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ N + 1 / k⦌ C
102 4 101 mpcom ⊢ φ → ∀ k ∈ M … N + 1 C ∈ B → ∑ G i = M N ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ N + 1 / k⦌ C
103 5 102 mpd ⊢ φ → ∑ G i = M N ⦋ i / k⦌ C - ˙ ⦋ i + 1 / k⦌ C = ⦋ M / k⦌ C - ˙ ⦋ N + 1 / k⦌ C