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Theorem isumsplit

Description: Split off the first N terms of an infinite sum. (Contributed by Paul Chapman, 9-Feb-2008) (Revised by Mario Carneiro, 24-Apr-2014)

Ref Expression
Hypotheses isumsplit.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
isumsplit.2 𝑊 = ( ℤ𝑁 )
isumsplit.3 ( 𝜑𝑁𝑍 )
isumsplit.4 ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( 𝐹𝑘 ) = 𝐴 )
isumsplit.5 ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → 𝐴 ∈ ℂ )
isumsplit.6 ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ∈ dom ⇝ )
Assertion isumsplit ( 𝜑 → Σ 𝑘𝑍 𝐴 = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + Σ 𝑘𝑊 𝐴 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 isumsplit.1 𝑍 = ( ℤ𝑀 )
2 isumsplit.2 𝑊 = ( ℤ𝑁 )
3 isumsplit.3 ( 𝜑𝑁𝑍 )
4 isumsplit.4 ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( 𝐹𝑘 ) = 𝐴 )
5 isumsplit.5 ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → 𝐴 ∈ ℂ )
6 isumsplit.6 ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ∈ dom ⇝ )
7 3 1 eleqtrdi ( 𝜑𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) )
8 eluzel2 ( 𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) → 𝑀 ∈ ℤ )
9 7 8 syl ( 𝜑𝑀 ∈ ℤ )
10 eluzelz ( 𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) → 𝑁 ∈ ℤ )
11 7 10 syl ( 𝜑𝑁 ∈ ℤ )
12 uzss ( 𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) → ( ℤ𝑁 ) ⊆ ( ℤ𝑀 ) )
13 7 12 syl ( 𝜑 → ( ℤ𝑁 ) ⊆ ( ℤ𝑀 ) )
14 13 2 1 3sstr4g ( 𝜑𝑊𝑍 )
15 14 sselda ( ( 𝜑𝑘𝑊 ) → 𝑘𝑍 )
16 15 4 syldan ( ( 𝜑𝑘𝑊 ) → ( 𝐹𝑘 ) = 𝐴 )
17 15 5 syldan ( ( 𝜑𝑘𝑊 ) → 𝐴 ∈ ℂ )
18 4 5 eqeltrd ( ( 𝜑𝑘𝑍 ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ )
19 1 3 18 iserex ( 𝜑 → ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ∈ dom ⇝ ↔ seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ∈ dom ⇝ ) )
20 6 19 mpbid ( 𝜑 → seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ∈ dom ⇝ )
21 2 11 16 17 20 isumclim2 ( 𝜑 → seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ⇝ Σ 𝑘𝑊 𝐴 )
22 fzfid ( 𝜑 → ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) ∈ Fin )
23 elfzuz ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) → 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) )
24 23 1 eleqtrrdi ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) → 𝑘𝑍 )
25 24 5 sylan2 ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) ) → 𝐴 ∈ ℂ )
26 22 25 fsumcl ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 ∈ ℂ )
27 15 18 syldan ( ( 𝜑𝑘𝑊 ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ )
28 2 11 27 serf ( 𝜑 → seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) : 𝑊 ⟶ ℂ )
29 28 ffvelrnda ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ∈ ℂ )
30 9 zred ( 𝜑𝑀 ∈ ℝ )
31 30 ltm1d ( 𝜑 → ( 𝑀 − 1 ) < 𝑀 )
32 peano2zm ( 𝑀 ∈ ℤ → ( 𝑀 − 1 ) ∈ ℤ )
33 fzn ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ ( 𝑀 − 1 ) ∈ ℤ ) → ( ( 𝑀 − 1 ) < 𝑀 ↔ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) = ∅ ) )
34 9 32 33 syl2anc2 ( 𝜑 → ( ( 𝑀 − 1 ) < 𝑀 ↔ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) = ∅ ) )
35 31 34 mpbid ( 𝜑 → ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) = ∅ )
36 35 sumeq1d ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) 𝐴 = Σ 𝑘 ∈ ∅ 𝐴 )
37 36 adantr ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) 𝐴 = Σ 𝑘 ∈ ∅ 𝐴 )
38 sum0 Σ 𝑘 ∈ ∅ 𝐴 = 0
39 37 38 eqtrdi ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) 𝐴 = 0 )
40 39 oveq1d ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) = ( 0 + ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) )
41 14 sselda ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → 𝑗𝑍 )
42 1 9 18 serf ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) : 𝑍 ⟶ ℂ )
43 42 ffvelrnda ( ( 𝜑𝑗𝑍 ) → ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ∈ ℂ )
44 41 43 syldan ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ∈ ℂ )
45 44 addid2d ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → ( 0 + ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) = ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) )
46 40 45 eqtr2d ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) )
47 oveq1 ( 𝑁 = 𝑀 → ( 𝑁 − 1 ) = ( 𝑀 − 1 ) )
48 47 oveq2d ( 𝑁 = 𝑀 → ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) = ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) )
49 48 sumeq1d ( 𝑁 = 𝑀 → Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 = Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) 𝐴 )
50 seqeq1 ( 𝑁 = 𝑀 → seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) = seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) )
51 50 fveq1d ( 𝑁 = 𝑀 → ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) )
52 49 51 oveq12d ( 𝑁 = 𝑀 → ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) )
53 52 eqeq2d ( 𝑁 = 𝑀 → ( ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) ↔ ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑀 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) ) )
54 46 53 syl5ibrcom ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → ( 𝑁 = 𝑀 → ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) ) )
55 addcl ( ( 𝑘 ∈ ℂ ∧ 𝑚 ∈ ℂ ) → ( 𝑘 + 𝑚 ) ∈ ℂ )
56 55 adantl ( ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) ∧ ( 𝑘 ∈ ℂ ∧ 𝑚 ∈ ℂ ) ) → ( 𝑘 + 𝑚 ) ∈ ℂ )
57 addass ( ( 𝑘 ∈ ℂ ∧ 𝑚 ∈ ℂ ∧ 𝑥 ∈ ℂ ) → ( ( 𝑘 + 𝑚 ) + 𝑥 ) = ( 𝑘 + ( 𝑚 + 𝑥 ) ) )
58 57 adantl ( ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) ∧ ( 𝑘 ∈ ℂ ∧ 𝑚 ∈ ℂ ∧ 𝑥 ∈ ℂ ) ) → ( ( 𝑘 + 𝑚 ) + 𝑥 ) = ( 𝑘 + ( 𝑚 + 𝑥 ) ) )
59 simplr ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → 𝑗𝑊 )
60 simpll ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → 𝜑 )
61 11 zcnd ( 𝜑𝑁 ∈ ℂ )
62 ax-1cn 1 ∈ ℂ
63 npcan ( ( 𝑁 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ ) → ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) = 𝑁 )
64 61 62 63 sylancl ( 𝜑 → ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) = 𝑁 )
65 64 eqcomd ( 𝜑𝑁 = ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) )
66 60 65 syl ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → 𝑁 = ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) )
67 66 fveq2d ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → ( ℤ𝑁 ) = ( ℤ ‘ ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) ) )
68 2 67 eqtrid ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → 𝑊 = ( ℤ ‘ ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) ) )
69 59 68 eleqtrd ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → 𝑗 ∈ ( ℤ ‘ ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) ) )
70 9 adantr ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → 𝑀 ∈ ℤ )
71 eluzp1m1 ( ( 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → ( 𝑁 − 1 ) ∈ ( ℤ𝑀 ) )
72 70 71 sylan ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → ( 𝑁 − 1 ) ∈ ( ℤ𝑀 ) )
73 elfzuz ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... 𝑗 ) → 𝑘 ∈ ( ℤ𝑀 ) )
74 73 1 eleqtrrdi ( 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... 𝑗 ) → 𝑘𝑍 )
75 60 74 18 syl2an ( ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) ∧ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... 𝑗 ) ) → ( 𝐹𝑘 ) ∈ ℂ )
76 56 58 69 72 75 seqsplit ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ ( 𝑁 − 1 ) ) + ( seq ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) )
77 60 24 4 syl2an ( ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) ∧ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) ) → ( 𝐹𝑘 ) = 𝐴 )
78 60 24 5 syl2an ( ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) ∧ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) ) → 𝐴 ∈ ℂ )
79 77 72 78 fsumser ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 = ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ ( 𝑁 − 1 ) ) )
80 66 seqeq1d ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) = seq ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) ( + , 𝐹 ) )
81 80 fveq1d ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( seq ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) )
82 79 81 oveq12d ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) = ( ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ ( 𝑁 − 1 ) ) + ( seq ( ( 𝑁 − 1 ) + 1 ) ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) )
83 76 82 eqtr4d ( ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) ∧ 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) → ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) )
84 83 ex ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → ( 𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) → ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) ) )
85 uzp1 ( 𝑁 ∈ ( ℤ𝑀 ) → ( 𝑁 = 𝑀𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) )
86 7 85 syl ( 𝜑 → ( 𝑁 = 𝑀𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) )
87 86 adantr ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → ( 𝑁 = 𝑀𝑁 ∈ ( ℤ ‘ ( 𝑀 + 1 ) ) ) )
88 54 84 87 mpjaod ( ( 𝜑𝑗𝑊 ) → ( seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + ( seq 𝑁 ( + , 𝐹 ) ‘ 𝑗 ) ) )
89 2 11 21 26 6 29 88 climaddc2 ( 𝜑 → seq 𝑀 ( + , 𝐹 ) ⇝ ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + Σ 𝑘𝑊 𝐴 ) )
90 1 9 4 5 89 isumclim ( 𝜑 → Σ 𝑘𝑍 𝐴 = ( Σ 𝑘 ∈ ( 𝑀 ... ( 𝑁 − 1 ) ) 𝐴 + Σ 𝑘𝑊 𝐴 ) )