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Theorem fsum2d 12281
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 3231 . 2  |-  A  C_  A
2 fsum2d.2 . . 3  |-  ( ph  ->  A  e.  Fin )
3 sseq1 3233 . . . . . 6  |-  ( w  =  (/)  ->  ( w 
C_  A  <->  (/)  C_  A
) )
4 sumeq1 12209 . . . . . . 7  |-  ( w  =  (/)  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C )
5 iuneq1 3955 . . . . . . . 8  |-  ( w  =  (/)  ->  U_ j  e.  w  ( {
j }  X.  B
)  =  U_ j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) )
65sumeq1d 12221 . . . . . . 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 2330 . . . . . 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 311 . . . . 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 307 . . . 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 3233 . . . . . 6  |-  ( w  =  x  ->  (
w  C_  A  <->  x  C_  A
) )
11 sumeq1 12209 . . . . . . 7  |-  ( w  =  x  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ j  e.  x  sum_ k  e.  B  C
)
12 iuneq1 3955 . . . . . . . 8  |-  ( w  =  x  ->  U_ j  e.  w  ( {
j }  X.  B
)  =  U_ j  e.  x  ( {
j }  X.  B
) )
1312sumeq1d 12221 . . . . . . 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 2330 . . . . . 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 311 . . . . 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 307 . . . 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 3233 . . . . . 6  |-  ( w  =  ( x  u. 
{ y } )  ->  ( w  C_  A 
<->  ( x  u.  {
y } )  C_  A ) )
18 sumeq1 12209 . . . . . . 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 3955 . . . . . . . 8  |-  ( w  =  ( x  u. 
{ y } )  ->  U_ j  e.  w  ( { j }  X.  B )  =  U_ j  e.  ( x  u.  { y } ) ( { j }  X.  B ) )
2019sumeq1d 12221 . . . . . . 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 2330 . . . . . 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 311 . . . . 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 307 . . . 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 3233 . . . . . 6  |-  ( w  =  A  ->  (
w  C_  A  <->  A  C_  A
) )
25 sumeq1 12209 . . . . . . 7  |-  ( w  =  A  ->  sum_ j  e.  w  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ j  e.  A  sum_ k  e.  B  C
)
26 iuneq1 3955 . . . . . . . 8  |-  ( w  =  A  ->  U_ j  e.  w  ( {
j }  X.  B
)  =  U_ j  e.  A  ( {
j }  X.  B
) )
2726sumeq1d 12221 . . . . . . 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 2330 . . . . . 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 311 . . . . 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 307 . . . 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 12241 . . . . . 6  |-  sum_ z  e.  (/)  D  =  0
32 0iun 3996 . . . . . . 7  |-  U_ j  e.  (/)  ( { j }  X.  B )  =  (/)
3332sumeq1i 12218 . . . . . 6  |-  sum_ z  e.  U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) D  = 
sum_ z  e.  (/)  D
34 sum0 12241 . . . . . 6  |-  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C  =  0
3531, 33, 343eqtr4ri 2347 . . . . 5  |-  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e. 
U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) D
3635a1ii 24 . . . 4  |-  ( ph  ->  ( (/)  C_  A  ->  sum_ j  e.  (/)  sum_ k  e.  B  C  =  sum_ z  e.  U_  j  e.  (/)  ( { j }  X.  B ) D ) )
37 ssun1 3372 . . . . . . . . . 10  |-  x  C_  ( x  u.  { y } )
38 sstr 3221 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( x  C_  ( x  u.  { y } )  /\  ( x  u. 
{ y } ) 
C_  A )  ->  x  C_  A )
3937, 38mpan 651 . . . . . . . . 9  |-  ( ( x  u.  { y } )  C_  A  ->  x  C_  A )
4039imim1i 54 . . . . . . . 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 730 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x )  /\  ( x  u.  {
y } )  C_  A )  ->  ph )
4342, 2syl 15 . . . . . . . . . . 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 457 . . . . . . . . . . 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 457 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x
)  /\  ( x  u.  { y } ) 
C_  A )  /\  ( j  e.  A  /\  k  e.  B
) )  ->  C  e.  CC )
48 simplr 731 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x )  /\  ( x  u.  {
y } )  C_  A )  ->  -.  y  e.  x )
49 simpr 447 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ph  /\  -.  y  e.  x )  /\  ( x  u.  {
y } )  C_  A )  ->  (
x  u.  { y } )  C_  A
)
50 biid 227 . . . . . . . . . . 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 12280 . . . . . . . . . 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 587 . . . . . . . . 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 23 . . . . . . . 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 28 . . . . . . 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 424 . . . . . 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 23 . . . . 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 452 . . . 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 7144 . . 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 32 . 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 16 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 set class
Syntax hints:   -. wn 3    -> wi 4    /\ wa 358    = wceq 1633    e. wcel 1701    u. cun 3184    C_ wss 3186   (/)c0 3489   {csn 3674   <.cop 3677   U_ciun 3942    X. cxp 4724   Fincfn 6906   CCcc 8780   0cc0 8782   sum_csu 12205
This theorem is referenced by:  fsumxp  12282  fsumcom2  12284  ovoliunlem1  18914  fsumvma  20505
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-3 7  ax-mp 8  ax-gen 1537  ax-5 1548  ax-17 1607  ax-9 1645  ax-8 1666  ax-13 1703  ax-14 1705  ax-6 1720  ax-7 1725  ax-11 1732  ax-12 1897  ax-ext 2297  ax-rep 4168  ax-sep 4178  ax-nul 4186  ax-pow 4225  ax-pr 4251  ax-un 4549  ax-inf2 7387  ax-cnex 8838  ax-resscn 8839  ax-1cn 8840  ax-icn 8841  ax-addcl 8842  ax-addrcl 8843  ax-mulcl 8844  ax-mulrcl 8845  ax-mulcom 8846  ax-addass 8847  ax-mulass 8848  ax-distr 8849  ax-i2m1 8850  ax-1ne0 8851  ax-1rid 8852  ax-rnegex 8853  ax-rrecex 8854  ax-cnre 8855  ax-pre-lttri 8856  ax-pre-lttrn 8857  ax-pre-ltadd 8858  ax-pre-mulgt0 8859  ax-pre-sup 8860
This theorem depends on definitions:  df-bi 177  df-or 359  df-an 360  df-3or 935  df-3an 936  df-tru 1310  df-ex 1533  df-nf 1536  df-sb 1640  df-eu 2180  df-mo 2181  df-clab 2303  df-cleq 2309  df-clel 2312  df-nfc 2441  df-ne 2481  df-nel 2482  df-ral 2582  df-rex 2583  df-reu 2584  df-rmo 2585  df-rab 2586  df-v 2824  df-sbc 3026  df-csb 3116  df-dif 3189  df-un 3191  df-in 3193  df-ss 3200  df-pss 3202  df-nul 3490  df-if 3600  df-pw 3661  df-sn 3680  df-pr 3681  df-tp 3682  df-op 3683  df-uni 3865  df-int 3900  df-iun 3944  df-br 4061  df-opab 4115  df-mpt 4116  df-tr 4151  df-eprel 4342  df-id 4346  df-po 4351  df-so 4352  df-fr 4389  df-se 4390  df-we 4391  df-ord 4432  df-on 4433  df-lim 4434  df-suc 4435  df-om 4694  df-xp 4732  df-rel 4733  df-cnv 4734  df-co 4735  df-dm 4736  df-rn 4737  df-res 4738  df-ima 4739  df-iota 5256  df-fun 5294  df-fn 5295  df-f 5296  df-f1 5297  df-fo 5298  df-f1o 5299  df-fv 5300  df-isom 5301  df-ov 5903  df-oprab 5904  df-mpt2 5905  df-1st 6164  df-2nd 6165  df-riota 6346  df-recs 6430  df-rdg 6465  df-1o 6521  df-oadd 6525  df-er 6702  df-en 6907  df-dom 6908  df-sdom 6909  df-fin 6910  df-sup 7239  df-oi 7270  df-card 7617  df-pnf 8914  df-mnf 8915  df-xr 8916  df-ltxr 8917  df-le 8918  df-sub 9084  df-neg 9085  df-div 9469  df-nn 9792  df-2 9849  df-3 9850  df-n0 10013  df-z 10072  df-uz 10278  df-rp 10402  df-fz 10830  df-fzo 10918  df-seq 11094  df-exp 11152  df-hash 11385  df-cj 11631  df-re 11632  df-im 11633  df-sqr 11767  df-abs 11768  df-clim 12009  df-sum 12206
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