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Theorem fsum2d 13237
Description: Write a double sum as a sum over a two-dimensional region. Note that  B ( j ) is a function of  j. (Contributed by Mario Carneiro, 27-Apr-2014.)
Hypotheses
Ref Expression
fsum2d.1  |-  ( z  =  <. j ,  k
>.  ->  D  =  C )
fsum2d.2  |-  ( ph  ->  A  e.  Fin )
fsum2d.3  |-  ( (
ph  /\  j  e.  A )  ->  B  e.  Fin )
fsum2d.4  |-  ( (
ph  /\  ( j  e.  A  /\  k  e.  B ) )  ->  C  e.  CC )
Assertion
Ref Expression
fsum2d  |-  ( ph  -> 
sum_ j  e.  A  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  A  ( { j }  X.  B ) D )
Distinct variable groups:    j, k,
z, A    B, k,
z    D, j, k    z, C    ph, j, k, z
Allowed substitution hints:    B( j)    C( j, k)    D( z)

Proof of Theorem fsum2d
Dummy variables  w  x  y are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 ssid 3374 . 2  |-  A  C_  A
2 fsum2d.2 . . 3  |-  ( ph  ->  A  e.  Fin )
3 sseq1 3376 . . . . . 6  |-  ( w  =  (/)  ->  ( w 
C_  A  <->  (/)  C_  A
) )
4 sumeq1 13165 . . . . . . 7  |-  ( w  =  (/)  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C )
5 iuneq1 4183 . . . . . . . 8  |-  ( w  =  (/)  ->  U_ j  e.  w  ( {
j }  X.  B
)  =  U_ j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) )
65sumeq1d 13177 . . . . . . 7  |-  ( w  =  (/)  ->  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D  = 
sum_ z  e.  U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B
) D )
74, 6eqeq12d 2456 . . . . . 6  |-  ( w  =  (/)  ->  ( sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D  <->  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e. 
U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) D ) )
83, 7imbi12d 320 . . . . 5  |-  ( w  =  (/)  ->  ( ( w  C_  A  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D )  <-> 
( (/)  C_  A  ->  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) D ) ) )
98imbi2d 316 . . . 4  |-  ( w  =  (/)  ->  ( (
ph  ->  ( w  C_  A  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D ) )  <->  ( ph  ->  (
(/)  C_  A  ->  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e. 
U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) D ) ) ) )
10 sseq1 3376 . . . . . 6  |-  ( w  =  x  ->  (
w  C_  A  <->  x  C_  A
) )
11 sumeq1 13165 . . . . . . 7  |-  ( w  =  x  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C
)
12 iuneq1 4183 . . . . . . . 8  |-  ( w  =  x  ->  U_ j  e.  w  ( {
j }  X.  B
)  =  U_ j  e.  x  ( {
j }  X.  B
) )
1312sumeq1d 13177 . . . . . . 7  |-  ( w  =  x  ->  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D  = 
sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D )
1411, 13eqeq12d 2456 . . . . . 6  |-  ( w  =  x  ->  ( sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D  <->  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e. 
U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D ) )
1510, 14imbi12d 320 . . . . 5  |-  ( w  =  x  ->  (
( w  C_  A  -> 
sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D )  <-> 
( x  C_  A  -> 
sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D ) ) )
1615imbi2d 316 . . . 4  |-  ( w  =  x  ->  (
( ph  ->  ( w 
C_  A  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D ) )  <->  ( ph  ->  ( x  C_  A  -> 
sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D ) ) ) )
17 sseq1 3376 . . . . . 6  |-  ( w  =  ( x  u. 
{ y } )  ->  ( w  C_  A 
<->  ( x  u.  {
y } )  C_  A ) )
18 sumeq1 13165 . . . . . . 7  |-  ( w  =  ( x  u. 
{ y } )  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ j  e.  ( x  u.  { y } ) sum_ k  e.  B  C )
19 iuneq1 4183 . . . . . . . 8  |-  ( w  =  ( x  u. 
{ y } )  ->  U_ j  e.  w  ( { j }  X.  B )  =  U_ j  e.  ( x  u.  { y } ) ( { j }  X.  B ) )
2019sumeq1d 13177 . . . . . . 7  |-  ( w  =  ( x  u. 
{ y } )  ->  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D  = 
sum_ z  e.  U_  j  e.  ( x  u.  { y } ) ( { j }  X.  B ) D )
2118, 20eqeq12d 2456 . . . . . 6  |-  ( w  =  ( x  u. 
{ y } )  ->  ( sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D  <->  sum_ j  e.  ( x  u.  { y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  ( x  u.  {
y } ) ( { j }  X.  B ) D ) )
2217, 21imbi12d 320 . . . . 5  |-  ( w  =  ( x  u. 
{ y } )  ->  ( ( w 
C_  A  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D )  <->  ( (
x  u.  { y } )  C_  A  -> 
sum_ j  e.  ( x  u.  { y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  ( x  u.  {
y } ) ( { j }  X.  B ) D ) ) )
2322imbi2d 316 . . . 4  |-  ( w  =  ( x  u. 
{ y } )  ->  ( ( ph  ->  ( w  C_  A  -> 
sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D ) )  <->  ( ph  ->  ( ( x  u.  {
y } )  C_  A  ->  sum_ j  e.  ( x  u.  { y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  ( x  u.  {
y } ) ( { j }  X.  B ) D ) ) ) )
24 sseq1 3376 . . . . . 6  |-  ( w  =  A  ->  (
w  C_  A  <->  A  C_  A
) )
25 sumeq1 13165 . . . . . . 7  |-  ( w  =  A  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ j  e.  A  sum_ k  e.  B  C
)
26 iuneq1 4183 . . . . . . . 8  |-  ( w  =  A  ->  U_ j  e.  w  ( {
j }  X.  B
)  =  U_ j  e.  A  ( {
j }  X.  B
) )
2726sumeq1d 13177 . . . . . . 7  |-  ( w  =  A  ->  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D  = 
sum_ z  e.  U_  j  e.  A  ( { j }  X.  B ) D )
2825, 27eqeq12d 2456 . . . . . 6  |-  ( w  =  A  ->  ( sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D  <->  sum_ j  e.  A  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e. 
U_  j  e.  A  ( { j }  X.  B ) D ) )
2924, 28imbi12d 320 . . . . 5  |-  ( w  =  A  ->  (
( w  C_  A  -> 
sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D )  <-> 
( A  C_  A  -> 
sum_ j  e.  A  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  A  ( { j }  X.  B ) D ) ) )
3029imbi2d 316 . . . 4  |-  ( w  =  A  ->  (
( ph  ->  ( w 
C_  A  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  w  ( { j }  X.  B ) D ) )  <->  ( ph  ->  ( A  C_  A  -> 
sum_ j  e.  A  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  A  ( { j }  X.  B ) D ) ) ) )
31 sum0 13197 . . . . . 6  |-  sum_ z  e.  (/)  D  =  0
32 0iun 4226 . . . . . . 7  |-  U_ j  e.  (/)  ( { j }  X.  B )  =  (/)
3332sumeq1i 13174 . . . . . 6  |-  sum_ z  e.  U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) D  = 
sum_ z  e.  (/)  D
34 sum0 13197 . . . . . 6  |-  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C  =  0
3531, 33, 343eqtr4ri 2473 . . . . 5  |-  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e. 
U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) D
3635a1ii 27 . . . 4  |-  ( ph  ->  ( (/)  C_  A  ->  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) D ) )
37 ssun1 3518 . . . . . . . . . 10  |-  x  C_  ( x  u.  { y } )
38 sstr 3363 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( x  C_  ( x  u.  { y } )  /\  ( x  u. 
{ y } ) 
C_  A )  ->  x  C_  A )
3937, 38mpan 670 . . . . . . . . 9  |-  ( ( x  u.  { y } )  C_  A  ->  x  C_  A )
4039imim1i 58 . . . . . . . 8  |-  ( ( x  C_  A  ->  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D )  ->  ( ( x  u.  { y } )  C_  A  ->  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D ) )
41 fsum2d.1 . . . . . . . . . . 11  |-  ( z  =  <. j ,  k
>.  ->  D  =  C )
42 simpll 753 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x )  /\  ( x  u.  {
y } )  C_  A )  ->  ph )
4342, 2syl 16 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x )  /\  ( x  u.  {
y } )  C_  A )  ->  A  e.  Fin )
44 fsum2d.3 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( (
ph  /\  j  e.  A )  ->  B  e.  Fin )
4542, 44sylan 471 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x
)  /\  ( x  u.  { y } ) 
C_  A )  /\  j  e.  A )  ->  B  e.  Fin )
46 fsum2d.4 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( (
ph  /\  ( j  e.  A  /\  k  e.  B ) )  ->  C  e.  CC )
4742, 46sylan 471 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x
)  /\  ( x  u.  { y } ) 
C_  A )  /\  ( j  e.  A  /\  k  e.  B
) )  ->  C  e.  CC )
48 simplr 754 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x )  /\  ( x  u.  {
y } )  C_  A )  ->  -.  y  e.  x )
49 simpr 461 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x )  /\  ( x  u.  {
y } )  C_  A )  ->  (
x  u.  { y } )  C_  A
)
50 biid 236 . . . . . . . . . . 11  |-  ( sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D  <->  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e. 
U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D )
5141, 43, 45, 47, 48, 49, 50fsum2dlem 13236 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x
)  /\  ( x  u.  { y } ) 
C_  A )  /\  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D )  ->  sum_ j  e.  ( x  u.  { y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  ( x  u.  {
y } ) ( { j }  X.  B ) D )
5251exp31 604 . . . . . . . . 9  |-  ( (
ph  /\  -.  y  e.  x )  ->  (
( x  u.  {
y } )  C_  A  ->  ( sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D  ->  sum_ j  e.  ( x  u.  {
y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  ( x  u.  { y } ) ( { j }  X.  B ) D ) ) )
5352a2d 26 . . . . . . . 8  |-  ( (
ph  /\  -.  y  e.  x )  ->  (
( ( x  u. 
{ y } ) 
C_  A  ->  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D )  ->  (
( x  u.  {
y } )  C_  A  ->  sum_ j  e.  ( x  u.  { y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  ( x  u.  {
y } ) ( { j }  X.  B ) D ) ) )
5440, 53syl5 32 . . . . . . 7  |-  ( (
ph  /\  -.  y  e.  x )  ->  (
( x  C_  A  -> 
sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D )  ->  ( ( x  u.  { y } )  C_  A  ->  sum_ j  e.  ( x  u.  { y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e. 
U_  j  e.  ( x  u.  { y } ) ( { j }  X.  B
) D ) ) )
5554expcom 435 . . . . . 6  |-  ( -.  y  e.  x  -> 
( ph  ->  ( ( x  C_  A  ->  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D )  ->  ( ( x  u.  { y } )  C_  A  ->  sum_ j  e.  ( x  u.  { y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e. 
U_  j  e.  ( x  u.  { y } ) ( { j }  X.  B
) D ) ) ) )
5655a2d 26 . . . . 5  |-  ( -.  y  e.  x  -> 
( ( ph  ->  ( x  C_  A  ->  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D ) )  ->  ( ph  ->  ( ( x  u. 
{ y } ) 
C_  A  ->  sum_ j  e.  ( x  u.  {
y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  ( x  u.  { y } ) ( { j }  X.  B ) D ) ) ) )
5756adantl 466 . . . 4  |-  ( ( x  e.  Fin  /\  -.  y  e.  x
)  ->  ( ( ph  ->  ( x  C_  A  ->  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  x  ( { j }  X.  B ) D ) )  ->  ( ph  ->  ( ( x  u. 
{ y } ) 
C_  A  ->  sum_ j  e.  ( x  u.  {
y } ) sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  ( x  u.  { y } ) ( { j }  X.  B ) D ) ) ) )
589, 16, 23, 30, 36, 57findcard2s 7552 . . 3  |-  ( A  e.  Fin  ->  ( ph  ->  ( A  C_  A  ->  sum_ j  e.  A  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  A  ( { j }  X.  B ) D ) ) )
592, 58mpcom 36 . 2  |-  ( ph  ->  ( A  C_  A  -> 
sum_ j  e.  A  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  A  ( { j }  X.  B ) D ) )
601, 59mpi 17 1  |-  ( ph  -> 
sum_ j  e.  A  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  A  ( { j }  X.  B ) D )
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:   -. wn 3    -> wi 4    /\ wa 369    = wceq 1369    e. wcel 1756    u. cun 3325    C_ wss 3327   (/)c0 3636   {csn 3876   <.cop 3882   U_ciun 4170    X. cxp 4837   Fincfn 7309   CCcc 9279   0cc0 9281   sum_csu 13162
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1591  ax-4 1602  ax-5 1670  ax-6 1708  ax-7 1728  ax-8 1758  ax-9 1760  ax-10 1775  ax-11 1780  ax-12 1792  ax-13 1943  ax-ext 2423  ax-rep 4402  ax-sep 4412  ax-nul 4420  ax-pow 4469  ax-pr 4530  ax-un 6371  ax-inf2 7846  ax-cnex 9337  ax-resscn 9338  ax-1cn 9339  ax-icn 9340  ax-addcl 9341  ax-addrcl 9342  ax-mulcl 9343  ax-mulrcl 9344  ax-mulcom 9345  ax-addass 9346  ax-mulass 9347  ax-distr 9348  ax-i2m1 9349  ax-1ne0 9350  ax-1rid 9351  ax-rnegex 9352  ax-rrecex 9353  ax-cnre 9354  ax-pre-lttri 9355  ax-pre-lttrn 9356  ax-pre-ltadd 9357  ax-pre-mulgt0 9358  ax-pre-sup 9359
This theorem depends on definitions:  df-bi 185  df-or 370  df-an 371  df-3or 966  df-3an 967  df-tru 1372  df-fal 1375  df-ex 1587  df-nf 1590  df-sb 1701  df-eu 2257  df-mo 2258  df-clab 2429  df-cleq 2435  df-clel 2438  df-nfc 2567  df-ne 2607  df-nel 2608  df-ral 2719  df-rex 2720  df-reu 2721  df-rmo 2722  df-rab 2723  df-v 2973  df-sbc 3186  df-csb 3288  df-dif 3330  df-un 3332  df-in 3334  df-ss 3341  df-pss 3343  df-nul 3637  df-if 3791  df-pw 3861  df-sn 3877  df-pr 3879  df-tp 3881  df-op 3883  df-uni 4091  df-int 4128  df-iun 4172  df-br 4292  df-opab 4350  df-mpt 4351  df-tr 4385  df-eprel 4631  df-id 4635  df-po 4640  df-so 4641  df-fr 4678  df-se 4679  df-we 4680  df-ord 4721  df-on 4722  df-lim 4723  df-suc 4724  df-xp 4845  df-rel 4846  df-cnv 4847  df-co 4848  df-dm 4849  df-rn 4850  df-res 4851  df-ima 4852  df-iota 5380  df-fun 5419  df-fn 5420  df-f 5421  df-f1 5422  df-fo 5423  df-f1o 5424  df-fv 5425  df-isom 5426  df-riota 6051  df-ov 6093  df-oprab 6094  df-mpt2 6095  df-om 6476  df-1st 6576  df-2nd 6577  df-recs 6831  df-rdg 6865  df-1o 6919  df-oadd 6923  df-er 7100  df-en 7310  df-dom 7311  df-sdom 7312  df-fin 7313  df-sup 7690  df-oi 7723  df-card 8108  df-pnf 9419  df-mnf 9420  df-xr 9421  df-ltxr 9422  df-le 9423  df-sub 9596  df-neg 9597  df-div 9993  df-nn 10322  df-2 10379  df-3 10380  df-n0 10579  df-z 10646  df-uz 10861  df-rp 10991  df-fz 11437  df-fzo 11548  df-seq 11806  df-exp 11865  df-hash 12103  df-cj 12587  df-re 12588  df-im 12589  df-sqr 12723  df-abs 12724  df-clim 12965  df-sum 13163
This theorem is referenced by:  fsumxp  13238  fsumcom2  13240  ovoliunlem1  20984  fsumvma  22551  eulerpartlemgs2  26762
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