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Theorem geolim2

Description: The partial sums in the geometric series A ^ M + A ^ ( M + 1 ) ... converge to ( ( A ^ M ) / ( 1 - A ) ) . (Contributed by NM, 6-Jun-2006) (Revised by Mario Carneiro, 26-Apr-2014)

Ref Expression
Hypotheses geolim.1 ( 𝜑𝐴 ∈ ℂ )
geolim.2 ( 𝜑 → ( abs ‘ 𝐴 ) < 1 )
geolim2.3 ( 𝜑𝑀 ∈ ℕ0 )
geolim2.4 ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ) → ( 𝐹𝑘 ) = ( 𝐴𝑘 ) )
Assertion geolim2 ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ⇝ ( ( 𝐴𝑀 ) / ( 1 − 𝐴 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 geolim.1 ( 𝜑𝐴 ∈ ℂ )
2 geolim.2 ( 𝜑 → ( abs ‘ 𝐴 ) < 1 )
3 geolim2.3 ( 𝜑𝑀 ∈ ℕ0 )
4 geolim2.4 ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ) → ( 𝐹𝑘 ) = ( 𝐴𝑘 ) )
5 eqid ( ℤ𝑀 ) = ( ℤ𝑀 )
6 3 nn0zd ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
7 1 adantr ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ) → 𝐴 ∈ ℂ )
8 eluznn0 ( ( 𝑀 ∈ ℕ0𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ) → 𝑘 ∈ ℕ0 )
9 3 8 sylan ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ) → 𝑘 ∈ ℕ0 )
10 7 9 expcld ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ) → ( 𝐴𝑘 ) ∈ ℂ )
11 oveq2 ( 𝑛 = 𝑘 → ( 𝐴𝑛 ) = ( 𝐴𝑘 ) )
12 eqid ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) = ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) )
13 ovex ( 𝐴𝑘 ) ∈ V
14 11 12 13 fvmpt ( 𝑘 ∈ ℕ0 → ( ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) = ( 𝐴𝑘 ) )
15 9 14 syl ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ) → ( ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) = ( 𝐴𝑘 ) )
16 15 4 eqtr4d ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ) → ( ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) = ( 𝐹𝑘 ) )
17 6 16 seqfeq ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ) = seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) )
18 oveq2 ( 𝑛 = 𝑗 → ( 𝐴𝑛 ) = ( 𝐴𝑗 ) )
19 ovex ( 𝐴𝑗 ) ∈ V
20 18 12 19 fvmpt ( 𝑗 ∈ ℕ0 → ( ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) = ( 𝐴𝑗 ) )
21 20 adantl ( ( 𝜑𝑗 ∈ ℕ0 ) → ( ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) = ( 𝐴𝑗 ) )
22 1 2 21 geolim ( 𝜑 → seq 0 ( + , ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ) ⇝ ( 1 / ( 1 − 𝐴 ) ) )
23 seqex seq 0 ( + , ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ) ∈ V
24 ovex ( 1 / ( 1 − 𝐴 ) ) ∈ V
25 23 24 breldm ( seq 0 ( + , ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ) ⇝ ( 1 / ( 1 − 𝐴 ) ) → seq 0 ( + , ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ) ∈ dom ⇝ )
26 22 25 syl ( 𝜑 → seq 0 ( + , ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ) ∈ dom ⇝ )
27 nn0uz 0 = ( ℤ ‘ 0 )
28 expcl ( ( 𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑗 ∈ ℕ0 ) → ( 𝐴𝑗 ) ∈ ℂ )
29 1 28 sylan ( ( 𝜑𝑗 ∈ ℕ0 ) → ( 𝐴𝑗 ) ∈ ℂ )
30 21 29 eqeltrd ( ( 𝜑𝑗 ∈ ℕ0 ) → ( ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ‘ 𝑗 ) ∈ ℂ )
31 27 3 30 iserex ( 𝜑 → ( seq 0 ( + , ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ) ∈ dom ⇝ ↔ seq 𝑀 ( + , ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ) ∈ dom ⇝ ) )
32 26 31 mpbid ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ) ∈ dom ⇝ )
33 17 32 eqeltrrd ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ∈ dom ⇝ )
34 5 6 4 10 33 isumclim2 ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ⇝ Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) )
35 14 adantl ( ( 𝜑𝑘 ∈ ℕ0 ) → ( ( 𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ( 𝐴𝑛 ) ) ‘ 𝑘 ) = ( 𝐴𝑘 ) )
36 expcl ( ( 𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0 ) → ( 𝐴𝑘 ) ∈ ℂ )
37 1 36 sylan ( ( 𝜑𝑘 ∈ ℕ0 ) → ( 𝐴𝑘 ) ∈ ℂ )
38 27 5 3 35 37 26 isumsplit ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ℕ0 ( 𝐴𝑘 ) = ( Σ 𝑘 ∈ ( 0 ... ( 𝑀 − 1 ) ) ( 𝐴𝑘 ) + Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) ) )
39 0zd ( 𝜑 → 0 ∈ ℤ )
40 27 39 35 37 22 isumclim ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ℕ0 ( 𝐴𝑘 ) = ( 1 / ( 1 − 𝐴 ) ) )
41 38 40 eqtr3d ( 𝜑 → ( Σ 𝑘 ∈ ( 0 ... ( 𝑀 − 1 ) ) ( 𝐴𝑘 ) + Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) ) = ( 1 / ( 1 − 𝐴 ) ) )
42 1re 1 ∈ ℝ
43 42 ltnri ¬ 1 < 1
44 fveq2 ( 𝐴 = 1 → ( abs ‘ 𝐴 ) = ( abs ‘ 1 ) )
45 abs1 ( abs ‘ 1 ) = 1
46 44 45 eqtrdi ( 𝐴 = 1 → ( abs ‘ 𝐴 ) = 1 )
47 46 breq1d ( 𝐴 = 1 → ( ( abs ‘ 𝐴 ) < 1 ↔ 1 < 1 ) )
48 43 47 mtbiri ( 𝐴 = 1 → ¬ ( abs ‘ 𝐴 ) < 1 )
49 48 necon2ai ( ( abs ‘ 𝐴 ) < 1 → 𝐴 ≠ 1 )
50 2 49 syl ( 𝜑𝐴 ≠ 1 )
51 1 50 3 geoser ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( 0 ... ( 𝑀 − 1 ) ) ( 𝐴𝑘 ) = ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) )
52 51 oveq1d ( 𝜑 → ( Σ 𝑘 ∈ ( 0 ... ( 𝑀 − 1 ) ) ( 𝐴𝑘 ) + Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) ) = ( ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) + Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) ) )
53 41 52 eqtr3d ( 𝜑 → ( 1 / ( 1 − 𝐴 ) ) = ( ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) + Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) ) )
54 53 oveq1d ( 𝜑 → ( ( 1 / ( 1 − 𝐴 ) ) − ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) ) = ( ( ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) + Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) ) − ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) ) )
55 1cnd ( 𝜑 → 1 ∈ ℂ )
56 ax-1cn 1 ∈ ℂ
57 1 3 expcld ( 𝜑 → ( 𝐴𝑀 ) ∈ ℂ )
58 subcl ( ( 1 ∈ ℂ ∧ ( 𝐴𝑀 ) ∈ ℂ ) → ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) ∈ ℂ )
59 56 57 58 sylancr ( 𝜑 → ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) ∈ ℂ )
60 subcl ( ( 1 ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ) → ( 1 − 𝐴 ) ∈ ℂ )
61 56 1 60 sylancr ( 𝜑 → ( 1 − 𝐴 ) ∈ ℂ )
62 50 necomd ( 𝜑 → 1 ≠ 𝐴 )
63 subeq0 ( ( 1 ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ) → ( ( 1 − 𝐴 ) = 0 ↔ 1 = 𝐴 ) )
64 56 1 63 sylancr ( 𝜑 → ( ( 1 − 𝐴 ) = 0 ↔ 1 = 𝐴 ) )
65 64 necon3bid ( 𝜑 → ( ( 1 − 𝐴 ) ≠ 0 ↔ 1 ≠ 𝐴 ) )
66 62 65 mpbird ( 𝜑 → ( 1 − 𝐴 ) ≠ 0 )
67 55 59 61 66 divsubdird ( 𝜑 → ( ( 1 − ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) = ( ( 1 / ( 1 − 𝐴 ) ) − ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) ) )
68 nncan ( ( 1 ∈ ℂ ∧ ( 𝐴𝑀 ) ∈ ℂ ) → ( 1 − ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) ) = ( 𝐴𝑀 ) )
69 56 57 68 sylancr ( 𝜑 → ( 1 − ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) ) = ( 𝐴𝑀 ) )
70 69 oveq1d ( 𝜑 → ( ( 1 − ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) = ( ( 𝐴𝑀 ) / ( 1 − 𝐴 ) ) )
71 67 70 eqtr3d ( 𝜑 → ( ( 1 / ( 1 − 𝐴 ) ) − ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) ) = ( ( 𝐴𝑀 ) / ( 1 − 𝐴 ) ) )
72 59 61 66 divcld ( 𝜑 → ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) ∈ ℂ )
73 5 6 15 10 32 isumcl ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) ∈ ℂ )
74 72 73 pncan2d ( 𝜑 → ( ( ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) + Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) ) − ( ( 1 − ( 𝐴𝑀 ) ) / ( 1 − 𝐴 ) ) ) = Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) )
75 54 71 74 3eqtr3rd ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) ( 𝐴𝑘 ) = ( ( 𝐴𝑀 ) / ( 1 − 𝐴 ) ) )
76 34 75 breqtrd ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ⇝ ( ( 𝐴𝑀 ) / ( 1 − 𝐴 ) ) )