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Theorem tsmssubm

Description: Evaluate an infinite group sum in a submonoid. (Contributed by Mario Carneiro, 18-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses tsmssubm.a ( 𝜑𝐴𝑉 )
tsmssubm.1 ( 𝜑𝐺 ∈ CMnd )
tsmssubm.2 ( 𝜑𝐺 ∈ TopSp )
tsmssubm.s ( 𝜑𝑆 ∈ ( SubMnd ‘ 𝐺 ) )
tsmssubm.f ( 𝜑𝐹 : 𝐴𝑆 )
tsmssubm.h 𝐻 = ( 𝐺s 𝑆 )
Assertion tsmssubm ( 𝜑 → ( 𝐻 tsums 𝐹 ) = ( ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ∩ 𝑆 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 tsmssubm.a ( 𝜑𝐴𝑉 )
2 tsmssubm.1 ( 𝜑𝐺 ∈ CMnd )
3 tsmssubm.2 ( 𝜑𝐺 ∈ TopSp )
4 tsmssubm.s ( 𝜑𝑆 ∈ ( SubMnd ‘ 𝐺 ) )
5 tsmssubm.f ( 𝜑𝐹 : 𝐴𝑆 )
6 tsmssubm.h 𝐻 = ( 𝐺s 𝑆 )
7 6 submbas ( 𝑆 ∈ ( SubMnd ‘ 𝐺 ) → 𝑆 = ( Base ‘ 𝐻 ) )
8 4 7 syl ( 𝜑𝑆 = ( Base ‘ 𝐻 ) )
9 8 eleq2d ( 𝜑 → ( 𝑥𝑆𝑥 ∈ ( Base ‘ 𝐻 ) ) )
10 9 anbi1d ( 𝜑 → ( ( 𝑥𝑆 ∧ ∀ 𝑣 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐻 ) ( 𝑥𝑣 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ) ) ↔ ( 𝑥 ∈ ( Base ‘ 𝐻 ) ∧ ∀ 𝑣 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐻 ) ( 𝑥𝑣 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ) ) ) )
11 elin ( 𝑥 ∈ ( ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ∩ 𝑆 ) ↔ ( 𝑥 ∈ ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ∧ 𝑥𝑆 ) )
12 11 biancomi ( 𝑥 ∈ ( ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ∩ 𝑆 ) ↔ ( 𝑥𝑆𝑥 ∈ ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ) )
13 eqid ( Base ‘ 𝐺 ) = ( Base ‘ 𝐺 )
14 13 submss ( 𝑆 ∈ ( SubMnd ‘ 𝐺 ) → 𝑆 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) )
15 4 14 syl ( 𝜑𝑆 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) )
16 15 sselda ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → 𝑥 ∈ ( Base ‘ 𝐺 ) )
17 eqid ( TopOpen ‘ 𝐺 ) = ( TopOpen ‘ 𝐺 )
18 eqid ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) = ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin )
19 5 15 fssd ( 𝜑𝐹 : 𝐴 ⟶ ( Base ‘ 𝐺 ) )
20 13 17 18 2 3 1 19 eltsms ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ↔ ( 𝑥 ∈ ( Base ‘ 𝐺 ) ∧ ∀ 𝑢 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ( 𝑥𝑢 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) ) ) ) )
21 20 baibd ( ( 𝜑𝑥 ∈ ( Base ‘ 𝐺 ) ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ↔ ∀ 𝑢 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ( 𝑥𝑢 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) ) ) )
22 16 21 syldan ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ↔ ∀ 𝑢 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ( 𝑥𝑢 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) ) ) )
23 vex 𝑢 ∈ V
24 23 inex1 ( 𝑢𝑆 ) ∈ V
25 24 a1i ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑢 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ) → ( 𝑢𝑆 ) ∈ V )
26 6 17 resstopn ( ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ↾t 𝑆 ) = ( TopOpen ‘ 𝐻 )
27 26 eleq2i ( 𝑣 ∈ ( ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ↾t 𝑆 ) ↔ 𝑣 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐻 ) )
28 fvex ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ∈ V
29 elrest ( ( ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ∈ V ∧ 𝑆 ∈ ( SubMnd ‘ 𝐺 ) ) → ( 𝑣 ∈ ( ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ↾t 𝑆 ) ↔ ∃ 𝑢 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐺 ) 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) )
30 28 4 29 sylancr ( 𝜑 → ( 𝑣 ∈ ( ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ↾t 𝑆 ) ↔ ∃ 𝑢 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐺 ) 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) )
31 30 adantr ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → ( 𝑣 ∈ ( ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ↾t 𝑆 ) ↔ ∃ 𝑢 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐺 ) 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) )
32 27 31 bitr3id ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → ( 𝑣 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐻 ) ↔ ∃ 𝑢 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐺 ) 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) )
33 eleq2 ( 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) → ( 𝑥𝑣𝑥 ∈ ( 𝑢𝑆 ) ) )
34 elin ( 𝑥 ∈ ( 𝑢𝑆 ) ↔ ( 𝑥𝑢𝑥𝑆 ) )
35 34 rbaib ( 𝑥𝑆 → ( 𝑥 ∈ ( 𝑢𝑆 ) ↔ 𝑥𝑢 ) )
36 35 adantl ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝑢𝑆 ) ↔ 𝑥𝑢 ) )
37 33 36 sylan9bbr ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) → ( 𝑥𝑣𝑥𝑢 ) )
38 eleq2 ( 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) → ( ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ↔ ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ ( 𝑢𝑆 ) ) )
39 eqid ( Base ‘ 𝐻 ) = ( Base ‘ 𝐻 )
40 eqid ( 0g𝐻 ) = ( 0g𝐻 )
41 6 submmnd ( 𝑆 ∈ ( SubMnd ‘ 𝐺 ) → 𝐻 ∈ Mnd )
42 4 41 syl ( 𝜑𝐻 ∈ Mnd )
43 6 subcmn ( ( 𝐺 ∈ CMnd ∧ 𝐻 ∈ Mnd ) → 𝐻 ∈ CMnd )
44 2 42 43 syl2anc ( 𝜑𝐻 ∈ CMnd )
45 44 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝐻 ∈ CMnd )
46 elinel2 ( 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) → 𝑦 ∈ Fin )
47 46 adantl ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝑦 ∈ Fin )
48 5 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝐹 : 𝐴𝑆 )
49 elfpw ( 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ↔ ( 𝑦𝐴𝑦 ∈ Fin ) )
50 49 simplbi ( 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) → 𝑦𝐴 )
51 50 adantl ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝑦𝐴 )
52 48 51 fssresd ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐹𝑦 ) : 𝑦𝑆 )
53 8 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝑆 = ( Base ‘ 𝐻 ) )
54 53 feq3d ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ( 𝐹𝑦 ) : 𝑦𝑆 ↔ ( 𝐹𝑦 ) : 𝑦 ⟶ ( Base ‘ 𝐻 ) ) )
55 52 54 mpbid ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐹𝑦 ) : 𝑦 ⟶ ( Base ‘ 𝐻 ) )
56 fvex ( 0g𝐻 ) ∈ V
57 56 a1i ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 0g𝐻 ) ∈ V )
58 52 47 57 fdmfifsupp ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐹𝑦 ) finSupp ( 0g𝐻 ) )
59 39 40 45 47 55 58 gsumcl ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ ( Base ‘ 𝐻 ) )
60 59 53 eleqtrrd ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑆 )
61 elin ( ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ ( 𝑢𝑆 ) ↔ ( ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ∧ ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑆 ) )
62 61 rbaib ( ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑆 → ( ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ ( 𝑢𝑆 ) ↔ ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) )
63 60 62 syl ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ ( 𝑢𝑆 ) ↔ ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) )
64 4 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝑆 ∈ ( SubMnd ‘ 𝐺 ) )
65 47 64 52 6 gsumsubm ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) = ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) )
66 65 eleq1d ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ↔ ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) )
67 63 66 bitr4d ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ ( 𝑢𝑆 ) ↔ ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) )
68 38 67 sylan9bbr ( ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) ∧ 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) → ( ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ↔ ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) )
69 68 an32s ( ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ↔ ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) )
70 69 imbi2d ( ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ↔ ( 𝑧𝑦 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) ) )
71 70 ralbidva ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) → ( ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ↔ ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) ) )
72 71 rexbidv ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) → ( ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ↔ ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) ) )
73 37 72 imbi12d ( ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) ∧ 𝑣 = ( 𝑢𝑆 ) ) → ( ( 𝑥𝑣 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ) ↔ ( 𝑥𝑢 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) ) ) )
74 25 32 73 ralxfr2d ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → ( ∀ 𝑣 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐻 ) ( 𝑥𝑣 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ) ↔ ∀ 𝑢 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐺 ) ( 𝑥𝑢 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑢 ) ) ) )
75 22 74 bitr4d ( ( 𝜑𝑥𝑆 ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ↔ ∀ 𝑣 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐻 ) ( 𝑥𝑣 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ) ) )
76 75 pm5.32da ( 𝜑 → ( ( 𝑥𝑆𝑥 ∈ ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ) ↔ ( 𝑥𝑆 ∧ ∀ 𝑣 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐻 ) ( 𝑥𝑣 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ) ) ) )
77 12 76 syl5bb ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ∩ 𝑆 ) ↔ ( 𝑥𝑆 ∧ ∀ 𝑣 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐻 ) ( 𝑥𝑣 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ) ) ) )
78 eqid ( TopOpen ‘ 𝐻 ) = ( TopOpen ‘ 𝐻 )
79 resstps ( ( 𝐺 ∈ TopSp ∧ 𝑆 ∈ ( SubMnd ‘ 𝐺 ) ) → ( 𝐺s 𝑆 ) ∈ TopSp )
80 3 4 79 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝐺s 𝑆 ) ∈ TopSp )
81 6 80 eqeltrid ( 𝜑𝐻 ∈ TopSp )
82 8 feq3d ( 𝜑 → ( 𝐹 : 𝐴𝑆𝐹 : 𝐴 ⟶ ( Base ‘ 𝐻 ) ) )
83 5 82 mpbid ( 𝜑𝐹 : 𝐴 ⟶ ( Base ‘ 𝐻 ) )
84 39 78 18 44 81 1 83 eltsms ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝐻 tsums 𝐹 ) ↔ ( 𝑥 ∈ ( Base ‘ 𝐻 ) ∧ ∀ 𝑣 ∈ ( TopOpen ‘ 𝐻 ) ( 𝑥𝑣 → ∃ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑧𝑦 → ( 𝐻 Σg ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝑣 ) ) ) ) )
85 10 77 84 3bitr4rd ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝐻 tsums 𝐹 ) ↔ 𝑥 ∈ ( ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ∩ 𝑆 ) ) )
86 85 eqrdv ( 𝜑 → ( 𝐻 tsums 𝐹 ) = ( ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ∩ 𝑆 ) )