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Theorem dchrmusumlem

Description: The sum of the MΓΆbius function multiplied by a non-principal Dirichlet character, divided by n , is bounded. Equation 9.4.16 of Shapiro, p. 379. (Contributed by Mario Carneiro, 12-May-2016)

Ref Expression
Hypotheses rpvmasum.z ⊒ 𝑍 = ( β„€/nβ„€ β€˜ 𝑁 )
rpvmasum.l ⊒ 𝐿 = ( β„€RHom β€˜ 𝑍 )
rpvmasum.a ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑁 ∈ β„• )
dchrmusum.g ⊒ 𝐺 = ( DChr β€˜ 𝑁 )
dchrmusum.d ⊒ 𝐷 = ( Base β€˜ 𝐺 )
dchrmusum.1 ⊒ 1 = ( 0g β€˜ 𝐺 )
dchrmusum.b ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑋 ∈ 𝐷 )
dchrmusum.n1 ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑋 β‰  1 )
dchrmusum.f ⊒ 𝐹 = ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) )
dchrmusum.c ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝐢 ∈ ( 0 [,) +∞ ) )
dchrmusum.t ⊒ ( πœ‘ β†’ seq 1 ( + , 𝐹 ) ⇝ 𝑇 )
dchrmusum.2 ⊒ ( πœ‘ β†’ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , 𝐹 ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑇 ) ) ≀ ( 𝐢 / 𝑦 ) )
Assertion dchrmusumlem ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) ∈ 𝑂(1) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rpvmasum.z ⊒ 𝑍 = ( β„€/nβ„€ β€˜ 𝑁 )
2 rpvmasum.l ⊒ 𝐿 = ( β„€RHom β€˜ 𝑍 )
3 rpvmasum.a ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑁 ∈ β„• )
4 dchrmusum.g ⊒ 𝐺 = ( DChr β€˜ 𝑁 )
5 dchrmusum.d ⊒ 𝐷 = ( Base β€˜ 𝐺 )
6 dchrmusum.1 ⊒ 1 = ( 0g β€˜ 𝐺 )
7 dchrmusum.b ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑋 ∈ 𝐷 )
8 dchrmusum.n1 ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑋 β‰  1 )
9 dchrmusum.f ⊒ 𝐹 = ( π‘Ž ∈ β„• ↦ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ π‘Ž ) ) / π‘Ž ) )
10 dchrmusum.c ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝐢 ∈ ( 0 [,) +∞ ) )
11 dchrmusum.t ⊒ ( πœ‘ β†’ seq 1 ( + , 𝐹 ) ⇝ 𝑇 )
12 dchrmusum.2 ⊒ ( πœ‘ β†’ βˆ€ 𝑦 ∈ ( 1 [,) +∞ ) ( abs β€˜ ( ( seq 1 ( + , 𝐹 ) β€˜ ( ⌊ β€˜ 𝑦 ) ) βˆ’ 𝑇 ) ) ≀ ( 𝐢 / 𝑦 ) )
13 fzfid ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ∈ Fin )
14 7 ad2antrr ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ 𝑋 ∈ 𝐷 )
15 elfzelz ⊒ ( 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) β†’ 𝑛 ∈ β„€ )
16 15 adantl ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ 𝑛 ∈ β„€ )
17 4 1 5 2 14 16 dchrzrhcl ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) ∈ β„‚ )
18 elfznn ⊒ ( 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) β†’ 𝑛 ∈ β„• )
19 18 adantl ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ 𝑛 ∈ β„• )
20 mucl ⊒ ( 𝑛 ∈ β„• β†’ ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) ∈ β„€ )
21 19 20 syl ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) ∈ β„€ )
22 21 zred ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) ∈ ℝ )
23 22 19 nndivred ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ∈ ℝ )
24 23 recnd ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ∈ β„‚ )
25 17 24 mulcld ⊒ ( ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) ∧ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ) β†’ ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ∈ β„‚ )
26 13 25 fsumcl ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ∈ β„‚ )
27 climcl ⊒ ( seq 1 ( + , 𝐹 ) ⇝ 𝑇 β†’ 𝑇 ∈ β„‚ )
28 11 27 syl ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑇 ∈ β„‚ )
29 28 adantr ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ 𝑇 ∈ β„‚ )
30 26 29 mulcld ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) Β· 𝑇 ) ∈ β„‚ )
31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 dchrisumn0 ⊒ ( πœ‘ β†’ 𝑇 β‰  0 )
32 31 adantr ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ 𝑇 β‰  0 )
33 30 29 32 divrecd ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) Β· 𝑇 ) / 𝑇 ) = ( ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) Β· 𝑇 ) Β· ( 1 / 𝑇 ) ) )
34 26 29 32 divcan4d ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) Β· 𝑇 ) / 𝑇 ) = Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) )
35 33 34 eqtr3d ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) Β· 𝑇 ) Β· ( 1 / 𝑇 ) ) = Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) )
36 35 mpteq2dva ⊒ ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ ( ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) Β· 𝑇 ) Β· ( 1 / 𝑇 ) ) ) = ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) )
37 28 31 reccld ⊒ ( πœ‘ β†’ ( 1 / 𝑇 ) ∈ β„‚ )
38 37 adantr ⊒ ( ( πœ‘ ∧ π‘₯ ∈ ℝ+ ) β†’ ( 1 / 𝑇 ) ∈ β„‚ )
39 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 dchrmusum2 ⊒ ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) Β· 𝑇 ) ) ∈ 𝑂(1) )
40 rpssre ⊒ ℝ+ βŠ† ℝ
41 o1const ⊒ ( ( ℝ+ βŠ† ℝ ∧ ( 1 / 𝑇 ) ∈ β„‚ ) β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ ( 1 / 𝑇 ) ) ∈ 𝑂(1) )
42 40 37 41 sylancr ⊒ ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ ( 1 / 𝑇 ) ) ∈ 𝑂(1) )
43 30 38 39 42 o1mul2 ⊒ ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ ( ( Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) Β· 𝑇 ) Β· ( 1 / 𝑇 ) ) ) ∈ 𝑂(1) )
44 36 43 eqeltrrd ⊒ ( πœ‘ β†’ ( π‘₯ ∈ ℝ+ ↦ Ξ£ 𝑛 ∈ ( 1 ... ( ⌊ β€˜ π‘₯ ) ) ( ( 𝑋 β€˜ ( 𝐿 β€˜ 𝑛 ) ) Β· ( ( ΞΌ β€˜ 𝑛 ) / 𝑛 ) ) ) ∈ 𝑂(1) )