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Theorem dvfsumge

Description: Compare a finite sum to an integral (the integral here is given as a function with a known derivative). (Contributed by Mario Carneiro, 14-May-2016)

Ref Expression
Hypotheses dvfsumle.m ( 𝜑𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) )
dvfsumle.a ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ∈ ( ( 𝑀 [,] 𝑁 ) –cn→ ℝ ) )
dvfsumle.v ( ( 𝜑𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ) → 𝐵𝑉 )
dvfsumle.b ( 𝜑 → ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) = ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐵 ) )
dvfsumle.c ( 𝑥 = 𝑀𝐴 = 𝐶 )
dvfsumle.d ( 𝑥 = 𝑁𝐴 = 𝐷 )
dvfsumle.x ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → 𝑋 ∈ ℝ )
dvfsumge.l ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ) ) → 𝐵𝑋 )
Assertion dvfsumge ( 𝜑 → ( 𝐷𝐶 ) ≤ Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) 𝑋 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 dvfsumle.m ( 𝜑𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) )
2 dvfsumle.a ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ∈ ( ( 𝑀 [,] 𝑁 ) –cn→ ℝ ) )
3 dvfsumle.v ( ( 𝜑𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ) → 𝐵𝑉 )
4 dvfsumle.b ( 𝜑 → ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) = ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐵 ) )
5 dvfsumle.c ( 𝑥 = 𝑀𝐴 = 𝐶 )
6 dvfsumle.d ( 𝑥 = 𝑁𝐴 = 𝐷 )
7 dvfsumle.x ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → 𝑋 ∈ ℝ )
8 dvfsumge.l ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ) ) → 𝐵𝑋 )
9 df-neg - 𝐴 = ( 0 − 𝐴 )
10 9 mpteq2i ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ - 𝐴 ) = ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ ( 0 − 𝐴 ) )
11 eqid ( TopOpen ‘ ℂfld ) = ( TopOpen ‘ ℂfld )
12 11 subcn − ∈ ( ( ( TopOpen ‘ ℂfld ) ×t ( TopOpen ‘ ℂfld ) ) Cn ( TopOpen ‘ ℂfld ) )
13 0red ( 𝜑 → 0 ∈ ℝ )
14 eluzel2 ( 𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) → 𝑀 ∈ ℤ )
15 1 14 syl ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
16 15 zred ( 𝜑𝑀 ∈ ℝ )
17 eluzelz ( 𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) → 𝑁 ∈ ℤ )
18 1 17 syl ( 𝜑𝑁 ∈ ℤ )
19 18 zred ( 𝜑𝑁 ∈ ℝ )
20 iccssre ( ( 𝑀 ∈ ℝ ∧ 𝑁 ∈ ℝ ) → ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ⊆ ℝ )
21 16 19 20 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ⊆ ℝ )
22 ax-resscn ℝ ⊆ ℂ
23 21 22 sstrdi ( 𝜑 → ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ⊆ ℂ )
24 22 a1i ( 𝜑 → ℝ ⊆ ℂ )
25 cncfmptc ( ( 0 ∈ ℝ ∧ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ⊆ ℂ ∧ ℝ ⊆ ℂ ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 0 ) ∈ ( ( 𝑀 [,] 𝑁 ) –cn→ ℝ ) )
26 13 23 24 25 syl3anc ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 0 ) ∈ ( ( 𝑀 [,] 𝑁 ) –cn→ ℝ ) )
27 resubcl ( ( 0 ∈ ℝ ∧ 𝐴 ∈ ℝ ) → ( 0 − 𝐴 ) ∈ ℝ )
28 11 12 26 2 22 27 cncfmpt2ss ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ ( 0 − 𝐴 ) ) ∈ ( ( 𝑀 [,] 𝑁 ) –cn→ ℝ ) )
29 10 28 eqeltrid ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ - 𝐴 ) ∈ ( ( 𝑀 [,] 𝑁 ) –cn→ ℝ ) )
30 negex - 𝐵 ∈ V
31 30 a1i ( ( 𝜑𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ) → - 𝐵 ∈ V )
32 reelprrecn ℝ ∈ { ℝ , ℂ }
33 32 a1i ( 𝜑 → ℝ ∈ { ℝ , ℂ } )
34 ioossicc ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ⊆ ( 𝑀 [,] 𝑁 )
35 34 sseli ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) → 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) )
36 cncff ( ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ∈ ( ( 𝑀 [,] 𝑁 ) –cn→ ℝ ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) : ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ⟶ ℝ )
37 2 36 syl ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) : ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ⟶ ℝ )
38 37 fvmptelrn ( ( 𝜑𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ) → 𝐴 ∈ ℝ )
39 35 38 sylan2 ( ( 𝜑𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ) → 𝐴 ∈ ℝ )
40 39 recnd ( ( 𝜑𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ) → 𝐴 ∈ ℂ )
41 33 40 3 4 dvmptneg ( 𝜑 → ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ - 𝐴 ) ) = ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ - 𝐵 ) )
42 5 negeqd ( 𝑥 = 𝑀 → - 𝐴 = - 𝐶 )
43 6 negeqd ( 𝑥 = 𝑁 → - 𝐴 = - 𝐷 )
44 7 renegcld ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → - 𝑋 ∈ ℝ )
45 16 adantr ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → 𝑀 ∈ ℝ )
46 45 rexrd ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → 𝑀 ∈ ℝ* )
47 elfzole1 ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) → 𝑀𝑘 )
48 47 adantl ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → 𝑀𝑘 )
49 iooss1 ( ( 𝑀 ∈ ℝ*𝑀𝑘 ) → ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ⊆ ( 𝑀 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) )
50 46 48 49 syl2anc ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ⊆ ( 𝑀 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) )
51 19 adantr ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → 𝑁 ∈ ℝ )
52 51 rexrd ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → 𝑁 ∈ ℝ* )
53 fzofzp1 ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) → ( 𝑘 + 1 ) ∈ ( 𝑀 ... 𝑁 ) )
54 53 adantl ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( 𝑘 + 1 ) ∈ ( 𝑀 ... 𝑁 ) )
55 elfzle2 ( ( 𝑘 + 1 ) ∈ ( 𝑀 ... 𝑁 ) → ( 𝑘 + 1 ) ≤ 𝑁 )
56 54 55 syl ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( 𝑘 + 1 ) ≤ 𝑁 )
57 iooss2 ( ( 𝑁 ∈ ℝ* ∧ ( 𝑘 + 1 ) ≤ 𝑁 ) → ( 𝑀 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ⊆ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) )
58 52 56 57 syl2anc ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( 𝑀 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ⊆ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) )
59 50 58 sstrd ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ⊆ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) )
60 59 sselda ( ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ) → 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) )
61 38 adantlr ( ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ) → 𝐴 ∈ ℝ )
62 35 61 sylan2 ( ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ) → 𝐴 ∈ ℝ )
63 62 fmpttd ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) : ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ⟶ ℝ )
64 ioossre ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ⊆ ℝ
65 dvfre ( ( ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) : ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ⟶ ℝ ∧ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ⊆ ℝ ) → ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) : dom ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) ⟶ ℝ )
66 63 64 65 sylancl ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) : dom ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) ⟶ ℝ )
67 4 adantr ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) = ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐵 ) )
68 67 dmeqd ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → dom ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) = dom ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐵 ) )
69 3 adantlr ( ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ) → 𝐵𝑉 )
70 69 ralrimiva ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ∀ 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) 𝐵𝑉 )
71 dmmptg ( ∀ 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) 𝐵𝑉 → dom ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐵 ) = ( 𝑀 (,) 𝑁 ) )
72 70 71 syl ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → dom ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐵 ) = ( 𝑀 (,) 𝑁 ) )
73 68 72 eqtrd ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → dom ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) = ( 𝑀 (,) 𝑁 ) )
74 67 73 feq12d ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) : dom ( ℝ D ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) ) ⟶ ℝ ↔ ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐵 ) : ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ⟶ ℝ ) )
75 66 74 mpbid ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ↦ 𝐵 ) : ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ⟶ ℝ )
76 75 fvmptelrn ( ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑀 (,) 𝑁 ) ) → 𝐵 ∈ ℝ )
77 60 76 syldan ( ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ) → 𝐵 ∈ ℝ )
78 77 anasss ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ) ) → 𝐵 ∈ ℝ )
79 7 adantrr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ) ) → 𝑋 ∈ ℝ )
80 78 79 lenegd ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ) ) → ( 𝐵𝑋 ↔ - 𝑋 ≤ - 𝐵 ) )
81 8 80 mpbid ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝑘 (,) ( 𝑘 + 1 ) ) ) ) → - 𝑋 ≤ - 𝐵 )
82 1 29 31 41 42 43 44 81 dvfsumle ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) - 𝑋 ≤ ( - 𝐷 − - 𝐶 ) )
83 fzofi ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ∈ Fin
84 83 a1i ( 𝜑 → ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ∈ Fin )
85 7 recnd ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) ) → 𝑋 ∈ ℂ )
86 84 85 fsumneg ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) - 𝑋 = - Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) 𝑋 )
87 6 eleq1d ( 𝑥 = 𝑁 → ( 𝐴 ∈ ℝ ↔ 𝐷 ∈ ℝ ) )
88 eqid ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) = ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 𝐴 )
89 88 fmpt ( ∀ 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) 𝐴 ∈ ℝ ↔ ( 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ↦ 𝐴 ) : ( 𝑀 [,] 𝑁 ) ⟶ ℝ )
90 37 89 sylibr ( 𝜑 → ∀ 𝑥 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) 𝐴 ∈ ℝ )
91 16 rexrd ( 𝜑𝑀 ∈ ℝ* )
92 19 rexrd ( 𝜑𝑁 ∈ ℝ* )
93 eluzle ( 𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) → 𝑀𝑁 )
94 1 93 syl ( 𝜑𝑀𝑁 )
95 ubicc2 ( ( 𝑀 ∈ ℝ*𝑁 ∈ ℝ*𝑀𝑁 ) → 𝑁 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) )
96 91 92 94 95 syl3anc ( 𝜑𝑁 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) )
97 87 90 96 rspcdva ( 𝜑𝐷 ∈ ℝ )
98 97 recnd ( 𝜑𝐷 ∈ ℂ )
99 5 eleq1d ( 𝑥 = 𝑀 → ( 𝐴 ∈ ℝ ↔ 𝐶 ∈ ℝ ) )
100 lbicc2 ( ( 𝑀 ∈ ℝ*𝑁 ∈ ℝ*𝑀𝑁 ) → 𝑀 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) )
101 91 92 94 100 syl3anc ( 𝜑𝑀 ∈ ( 𝑀 [,] 𝑁 ) )
102 99 90 101 rspcdva ( 𝜑𝐶 ∈ ℝ )
103 102 recnd ( 𝜑𝐶 ∈ ℂ )
104 98 103 neg2subd ( 𝜑 → ( - 𝐷 − - 𝐶 ) = ( 𝐶𝐷 ) )
105 98 103 negsubdi2d ( 𝜑 → - ( 𝐷𝐶 ) = ( 𝐶𝐷 ) )
106 104 105 eqtr4d ( 𝜑 → ( - 𝐷 − - 𝐶 ) = - ( 𝐷𝐶 ) )
107 82 86 106 3brtr3d ( 𝜑 → - Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) 𝑋 ≤ - ( 𝐷𝐶 ) )
108 97 102 resubcld ( 𝜑 → ( 𝐷𝐶 ) ∈ ℝ )
109 84 7 fsumrecl ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) 𝑋 ∈ ℝ )
110 108 109 lenegd ( 𝜑 → ( ( 𝐷𝐶 ) ≤ Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) 𝑋 ↔ - Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) 𝑋 ≤ - ( 𝐷𝐶 ) ) )
111 107 110 mpbird ( 𝜑 → ( 𝐷𝐶 ) ≤ Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ..^ 𝑁 ) 𝑋 )