Metamath Proof Explorer


Theorem sgmppw

Description: The value of the divisor function at a prime power. (Contributed by Mario Carneiro, 17-May-2016)

Ref Expression
Assertion sgmppw ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด ฯƒ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ( ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 simp1 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
2 simp2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ )
3 prmnn โŠข ( ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„• )
4 2 3 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„• )
5 simp3 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
6 4 5 nnexpcld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆˆ โ„• )
7 sgmval โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐ด ฯƒ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘› โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) } ( ๐‘› โ†‘๐‘ ๐ด ) )
8 1 6 7 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด ฯƒ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘› โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) } ( ๐‘› โ†‘๐‘ ๐ด ) )
9 oveq1 โŠข ( ๐‘› = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) โ†’ ( ๐‘› โ†‘๐‘ ๐ด ) = ( ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) โ†‘๐‘ ๐ด ) )
10 fzfid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 0 ... ๐‘ ) โˆˆ Fin )
11 eqid โŠข ( ๐‘– โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) โ†ฆ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘– ) ) = ( ๐‘– โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) โ†ฆ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘– ) )
12 11 dvdsppwf1o โŠข ( ( ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘– โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) โ†ฆ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘– ) ) : ( 0 ... ๐‘ ) โ€“1-1-ontoโ†’ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) } )
13 2 5 12 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘– โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) โ†ฆ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘– ) ) : ( 0 ... ๐‘ ) โ€“1-1-ontoโ†’ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) } )
14 oveq2 โŠข ( ๐‘– = ๐‘˜ โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘– ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) )
15 ovex โŠข ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ V
16 14 11 15 fvmpt โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) โ†’ ( ( ๐‘– โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) โ†ฆ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘– ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) )
17 16 adantl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( ( ๐‘– โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) โ†ฆ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘– ) ) โ€˜ ๐‘˜ ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) )
18 elrabi โŠข ( ๐‘› โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) } โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„• )
19 18 nncnd โŠข ( ๐‘› โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) } โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„‚ )
20 cxpcl โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘› โ†‘๐‘ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
21 19 1 20 syl2anr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘› โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) } ) โ†’ ( ๐‘› โ†‘๐‘ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
22 9 10 13 17 21 fsumf1o โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ { ๐‘ฅ โˆˆ โ„• โˆฃ ๐‘ฅ โˆฅ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) } ( ๐‘› โ†‘๐‘ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ( ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) โ†‘๐‘ ๐ด ) )
23 elfznn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
24 23 adantl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
25 24 nn0cnd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ )
26 1 adantr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
27 25 26 mulcomd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( ๐‘˜ ยท ๐ด ) = ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) )
28 27 oveq2d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ( ๐‘˜ ยท ๐ด ) ) = ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) )
29 4 adantr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„• )
30 29 nnrpd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„+ )
31 24 nn0red โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„ )
32 30 31 26 cxpmuld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ( ๐‘˜ ยท ๐ด ) ) = ( ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ๐‘˜ ) โ†‘๐‘ ๐ด ) )
33 29 nncnd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„‚ )
34 cxpexp โŠข ( ( ๐‘ƒ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ๐‘˜ ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) )
35 33 24 34 syl2anc โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ๐‘˜ ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) )
36 35 oveq1d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ๐‘˜ ) โ†‘๐‘ ๐ด ) = ( ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) โ†‘๐‘ ๐ด ) )
37 32 36 eqtrd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ( ๐‘˜ ยท ๐ด ) ) = ( ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) โ†‘๐‘ ๐ด ) )
38 33 26 24 cxpmul2d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) )
39 28 37 38 3eqtr3d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ) โ†’ ( ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) โ†‘๐‘ ๐ด ) = ( ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) )
40 39 sumeq2dv โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ( ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘˜ ) โ†‘๐‘ ๐ด ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ( ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) )
41 8 22 40 3eqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด ฯƒ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) ) = ฮฃ ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ๐‘ ) ( ( ๐‘ƒ โ†‘๐‘ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) )