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Theorem rpnnen2lem11

Description: Lemma for rpnnen2 . (Contributed by Mario Carneiro, 13-May-2013)

Ref Expression
Hypotheses rpnnen2.1 𝐹 = ( 𝑥 ∈ 𝒫 ℕ ↦ ( 𝑛 ∈ ℕ ↦ if ( 𝑛𝑥 , ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑛 ) , 0 ) ) )
rpnnen2.2 ( 𝜑𝐴 ⊆ ℕ )
rpnnen2.3 ( 𝜑𝐵 ⊆ ℕ )
rpnnen2.4 ( 𝜑𝑚 ∈ ( 𝐴𝐵 ) )
rpnnen2.5 ( 𝜑 → ∀ 𝑛 ∈ ℕ ( 𝑛 < 𝑚 → ( 𝑛𝐴𝑛𝐵 ) ) )
rpnnen2.6 ( 𝜓 ↔ Σ 𝑘 ∈ ℕ ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) = Σ 𝑘 ∈ ℕ ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) )
Assertion rpnnen2lem11 ( 𝜑 → ¬ 𝜓 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rpnnen2.1 𝐹 = ( 𝑥 ∈ 𝒫 ℕ ↦ ( 𝑛 ∈ ℕ ↦ if ( 𝑛𝑥 , ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑛 ) , 0 ) ) )
2 rpnnen2.2 ( 𝜑𝐴 ⊆ ℕ )
3 rpnnen2.3 ( 𝜑𝐵 ⊆ ℕ )
4 rpnnen2.4 ( 𝜑𝑚 ∈ ( 𝐴𝐵 ) )
5 rpnnen2.5 ( 𝜑 → ∀ 𝑛 ∈ ℕ ( 𝑛 < 𝑚 → ( 𝑛𝐴𝑛𝐵 ) ) )
6 rpnnen2.6 ( 𝜓 ↔ Σ 𝑘 ∈ ℕ ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) = Σ 𝑘 ∈ ℕ ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) )
7 eldifi ( 𝑚 ∈ ( 𝐴𝐵 ) → 𝑚𝐴 )
8 ssel2 ( ( 𝐴 ⊆ ℕ ∧ 𝑚𝐴 ) → 𝑚 ∈ ℕ )
9 7 8 sylan2 ( ( 𝐴 ⊆ ℕ ∧ 𝑚 ∈ ( 𝐴𝐵 ) ) → 𝑚 ∈ ℕ )
10 2 4 9 syl2anc ( 𝜑𝑚 ∈ ℕ )
11 1 rpnnen2lem6 ( ( 𝐵 ⊆ ℕ ∧ 𝑚 ∈ ℕ ) → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) ∈ ℝ )
12 3 10 11 syl2anc ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) ∈ ℝ )
13 3nn 3 ∈ ℕ
14 nnrecre ( 3 ∈ ℕ → ( 1 / 3 ) ∈ ℝ )
15 13 14 ax-mp ( 1 / 3 ) ∈ ℝ
16 10 nnnn0d ( 𝜑𝑚 ∈ ℕ0 )
17 reexpcl ( ( ( 1 / 3 ) ∈ ℝ ∧ 𝑚 ∈ ℕ0 ) → ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℝ )
18 15 16 17 sylancr ( 𝜑 → ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℝ )
19 1 rpnnen2lem6 ( ( 𝐴 ⊆ ℕ ∧ 𝑚 ∈ ℕ ) → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) ∈ ℝ )
20 2 10 19 syl2anc ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) ∈ ℝ )
21 nnrp ( 3 ∈ ℕ → 3 ∈ ℝ+ )
22 rpreccl ( 3 ∈ ℝ+ → ( 1 / 3 ) ∈ ℝ+ )
23 13 21 22 mp2b ( 1 / 3 ) ∈ ℝ+
24 10 nnzd ( 𝜑𝑚 ∈ ℤ )
25 rpexpcl ( ( ( 1 / 3 ) ∈ ℝ+𝑚 ∈ ℤ ) → ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℝ+ )
26 23 24 25 sylancr ( 𝜑 → ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℝ+ )
27 26 rpred ( 𝜑 → ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℝ )
28 27 rehalfcld ( 𝜑 → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) ∈ ℝ )
29 4 snssd ( 𝜑 → { 𝑚 } ⊆ ( 𝐴𝐵 ) )
30 2 ssdifd ( 𝜑 → ( 𝐴𝐵 ) ⊆ ( ℕ ∖ 𝐵 ) )
31 29 30 sstrd ( 𝜑 → { 𝑚 } ⊆ ( ℕ ∖ 𝐵 ) )
32 10 snssd ( 𝜑 → { 𝑚 } ⊆ ℕ )
33 ssconb ( ( 𝐵 ⊆ ℕ ∧ { 𝑚 } ⊆ ℕ ) → ( 𝐵 ⊆ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ↔ { 𝑚 } ⊆ ( ℕ ∖ 𝐵 ) ) )
34 3 32 33 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝐵 ⊆ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ↔ { 𝑚 } ⊆ ( ℕ ∖ 𝐵 ) ) )
35 31 34 mpbird ( 𝜑𝐵 ⊆ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) )
36 difssd ( 𝜑 → ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ⊆ ℕ )
37 1 rpnnen2lem7 ( ( 𝐵 ⊆ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ∧ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ⊆ ℕ ∧ 𝑚 ∈ ℕ ) → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) ≤ Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹 ‘ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ) ‘ 𝑘 ) )
38 35 36 10 37 syl3anc ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) ≤ Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹 ‘ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ) ‘ 𝑘 ) )
39 1 rpnnen2lem9 ( 𝑚 ∈ ℕ → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹 ‘ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ) ‘ 𝑘 ) = ( 0 + ( ( ( 1 / 3 ) ↑ ( 𝑚 + 1 ) ) / ( 1 − ( 1 / 3 ) ) ) ) )
40 10 39 syl ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹 ‘ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ) ‘ 𝑘 ) = ( 0 + ( ( ( 1 / 3 ) ↑ ( 𝑚 + 1 ) ) / ( 1 − ( 1 / 3 ) ) ) ) )
41 15 recni ( 1 / 3 ) ∈ ℂ
42 expp1 ( ( ( 1 / 3 ) ∈ ℂ ∧ 𝑚 ∈ ℕ0 ) → ( ( 1 / 3 ) ↑ ( 𝑚 + 1 ) ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) · ( 1 / 3 ) ) )
43 41 16 42 sylancr ( 𝜑 → ( ( 1 / 3 ) ↑ ( 𝑚 + 1 ) ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) · ( 1 / 3 ) ) )
44 27 recnd ( 𝜑 → ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℂ )
45 3cn 3 ∈ ℂ
46 3ne0 3 ≠ 0
47 divrec ( ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℂ ∧ 3 ≠ 0 ) → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) · ( 1 / 3 ) ) )
48 45 46 47 mp3an23 ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℂ → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) · ( 1 / 3 ) ) )
49 44 48 syl ( 𝜑 → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) · ( 1 / 3 ) ) )
50 43 49 eqtr4d ( 𝜑 → ( ( 1 / 3 ) ↑ ( 𝑚 + 1 ) ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) )
51 50 oveq1d ( 𝜑 → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ ( 𝑚 + 1 ) ) / ( 1 − ( 1 / 3 ) ) ) = ( ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) / ( 1 − ( 1 / 3 ) ) ) )
52 ax-1cn 1 ∈ ℂ
53 45 46 pm3.2i ( 3 ∈ ℂ ∧ 3 ≠ 0 )
54 divsubdir ( ( 3 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ ∧ ( 3 ∈ ℂ ∧ 3 ≠ 0 ) ) → ( ( 3 − 1 ) / 3 ) = ( ( 3 / 3 ) − ( 1 / 3 ) ) )
55 45 52 53 54 mp3an ( ( 3 − 1 ) / 3 ) = ( ( 3 / 3 ) − ( 1 / 3 ) )
56 3m1e2 ( 3 − 1 ) = 2
57 56 oveq1i ( ( 3 − 1 ) / 3 ) = ( 2 / 3 )
58 45 46 dividi ( 3 / 3 ) = 1
59 58 oveq1i ( ( 3 / 3 ) − ( 1 / 3 ) ) = ( 1 − ( 1 / 3 ) )
60 55 57 59 3eqtr3ri ( 1 − ( 1 / 3 ) ) = ( 2 / 3 )
61 60 oveq2i ( ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) / ( 1 − ( 1 / 3 ) ) ) = ( ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) / ( 2 / 3 ) )
62 2cnne0 ( 2 ∈ ℂ ∧ 2 ≠ 0 )
63 divcan7 ( ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℂ ∧ ( 2 ∈ ℂ ∧ 2 ≠ 0 ) ∧ ( 3 ∈ ℂ ∧ 3 ≠ 0 ) ) → ( ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) / ( 2 / 3 ) ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) )
64 62 53 63 mp3an23 ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℂ → ( ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) / ( 2 / 3 ) ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) )
65 44 64 syl ( 𝜑 → ( ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) / ( 2 / 3 ) ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) )
66 61 65 eqtrid ( 𝜑 → ( ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 3 ) / ( 1 − ( 1 / 3 ) ) ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) )
67 51 66 eqtrd ( 𝜑 → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ ( 𝑚 + 1 ) ) / ( 1 − ( 1 / 3 ) ) ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) )
68 67 oveq2d ( 𝜑 → ( 0 + ( ( ( 1 / 3 ) ↑ ( 𝑚 + 1 ) ) / ( 1 − ( 1 / 3 ) ) ) ) = ( 0 + ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) ) )
69 28 recnd ( 𝜑 → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) ∈ ℂ )
70 69 addid2d ( 𝜑 → ( 0 + ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) )
71 40 68 70 3eqtrd ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹 ‘ ( ℕ ∖ { 𝑚 } ) ) ‘ 𝑘 ) = ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) )
72 38 71 breqtrd ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) ≤ ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) )
73 rphalflt ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℝ+ → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) < ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) )
74 26 73 syl ( 𝜑 → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) / 2 ) < ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) )
75 12 28 27 72 74 lelttrd ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) < ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) )
76 eluznn ( ( 𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ) → 𝑘 ∈ ℕ )
77 10 76 sylan ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ) → 𝑘 ∈ ℕ )
78 1 rpnnen2lem1 ( ( { 𝑚 } ⊆ ℕ ∧ 𝑘 ∈ ℕ ) → ( ( 𝐹 ‘ { 𝑚 } ) ‘ 𝑘 ) = if ( 𝑘 ∈ { 𝑚 } , ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) , 0 ) )
79 32 77 78 syl2an2r ( ( 𝜑𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ) → ( ( 𝐹 ‘ { 𝑚 } ) ‘ 𝑘 ) = if ( 𝑘 ∈ { 𝑚 } , ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) , 0 ) )
80 79 sumeq2dv ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹 ‘ { 𝑚 } ) ‘ 𝑘 ) = Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) if ( 𝑘 ∈ { 𝑚 } , ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) , 0 ) )
81 uzid ( 𝑚 ∈ ℤ → 𝑚 ∈ ( ℤ𝑚 ) )
82 24 81 syl ( 𝜑𝑚 ∈ ( ℤ𝑚 ) )
83 82 snssd ( 𝜑 → { 𝑚 } ⊆ ( ℤ𝑚 ) )
84 vex 𝑚 ∈ V
85 oveq2 ( 𝑘 = 𝑚 → ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) = ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) )
86 85 eleq1d ( 𝑘 = 𝑚 → ( ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) ∈ ℂ ↔ ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℂ ) )
87 84 86 ralsn ( ∀ 𝑘 ∈ { 𝑚 } ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) ∈ ℂ ↔ ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℂ )
88 44 87 sylibr ( 𝜑 → ∀ 𝑘 ∈ { 𝑚 } ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) ∈ ℂ )
89 ssidd ( 𝜑 → ( ℤ𝑚 ) ⊆ ( ℤ𝑚 ) )
90 89 orcd ( 𝜑 → ( ( ℤ𝑚 ) ⊆ ( ℤ𝑚 ) ∨ ( ℤ𝑚 ) ∈ Fin ) )
91 sumss2 ( ( ( { 𝑚 } ⊆ ( ℤ𝑚 ) ∧ ∀ 𝑘 ∈ { 𝑚 } ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) ∈ ℂ ) ∧ ( ( ℤ𝑚 ) ⊆ ( ℤ𝑚 ) ∨ ( ℤ𝑚 ) ∈ Fin ) ) → Σ 𝑘 ∈ { 𝑚 } ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) = Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) if ( 𝑘 ∈ { 𝑚 } , ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) , 0 ) )
92 83 88 90 91 syl21anc ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ { 𝑚 } ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) = Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) if ( 𝑘 ∈ { 𝑚 } , ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) , 0 ) )
93 85 sumsn ( ( 𝑚 ∈ ℕ ∧ ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ∈ ℂ ) → Σ 𝑘 ∈ { 𝑚 } ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) = ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) )
94 10 44 93 syl2anc ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ { 𝑚 } ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑘 ) = ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) )
95 80 92 94 3eqtr2d ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹 ‘ { 𝑚 } ) ‘ 𝑘 ) = ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) )
96 4 7 syl ( 𝜑𝑚𝐴 )
97 96 snssd ( 𝜑 → { 𝑚 } ⊆ 𝐴 )
98 1 rpnnen2lem7 ( ( { 𝑚 } ⊆ 𝐴𝐴 ⊆ ℕ ∧ 𝑚 ∈ ℕ ) → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹 ‘ { 𝑚 } ) ‘ 𝑘 ) ≤ Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) )
99 97 2 10 98 syl3anc ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹 ‘ { 𝑚 } ) ‘ 𝑘 ) ≤ Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) )
100 95 99 eqbrtrrd ( 𝜑 → ( ( 1 / 3 ) ↑ 𝑚 ) ≤ Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) )
101 12 18 20 75 100 ltletrd ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) < Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) )
102 12 101 gtned ( 𝜑 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) ≠ Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) )
103 1 2 3 4 5 6 rpnnen2lem10 ( ( 𝜑𝜓 ) → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) = Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) )
104 103 ex ( 𝜑 → ( 𝜓 → Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) = Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) ) )
105 104 necon3ad ( 𝜑 → ( Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐴 ) ‘ 𝑘 ) ≠ Σ 𝑘 ∈ ( ℤ𝑚 ) ( ( 𝐹𝐵 ) ‘ 𝑘 ) → ¬ 𝜓 ) )
106 102 105 mpd ( 𝜑 → ¬ 𝜓 )