MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  arisum Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem arisum 14636
Description: Arithmetic series sum of the first 𝑁 positive integers. This is Metamath 100 proof #68. (Contributed by FL, 16-Nov-2006.) (Proof shortened by Mario Carneiro, 22-May-2014.)
Assertion
Ref Expression
arisum (𝑁 ∈ ℕ0 → Σ𝑘 ∈ (1...𝑁)𝑘 = (((𝑁↑2) + 𝑁) / 2))
Distinct variable group:   𝑘,𝑁

Proof of Theorem arisum
Dummy variable 𝑗 is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 elnn0 11332 . 2 (𝑁 ∈ ℕ0 ↔ (𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0))
2 1zzd 11446 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℤ)
3 nnz 11437 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℤ)
4 elfzelz 12380 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ (1...𝑁) → 𝑘 ∈ ℤ)
54zcnd 11521 . . . . . . 7 (𝑘 ∈ (1...𝑁) → 𝑘 ∈ ℂ)
65adantl 481 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (1...𝑁)) → 𝑘 ∈ ℂ)
7 id 22 . . . . . 6 (𝑘 = (𝑗 + 1) → 𝑘 = (𝑗 + 1))
82, 2, 3, 6, 7fsumshftm 14557 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...𝑁)𝑘 = Σ𝑗 ∈ ((1 − 1)...(𝑁 − 1))(𝑗 + 1))
9 1m1e0 11127 . . . . . . 7 (1 − 1) = 0
109oveq1i 6700 . . . . . 6 ((1 − 1)...(𝑁 − 1)) = (0...(𝑁 − 1))
1110sumeq1i 14472 . . . . 5 Σ𝑗 ∈ ((1 − 1)...(𝑁 − 1))(𝑗 + 1) = Σ𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))(𝑗 + 1)
128, 11syl6eq 2701 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...𝑁)𝑘 = Σ𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))(𝑗 + 1))
13 elfznn0 12471 . . . . . . . . 9 (𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1)) → 𝑗 ∈ ℕ0)
1413adantl 481 . . . . . . . 8 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → 𝑗 ∈ ℕ0)
15 bcnp1n 13141 . . . . . . . 8 (𝑗 ∈ ℕ0 → ((𝑗 + 1)C𝑗) = (𝑗 + 1))
1614, 15syl 17 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → ((𝑗 + 1)C𝑗) = (𝑗 + 1))
1714nn0cnd 11391 . . . . . . . . 9 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → 𝑗 ∈ ℂ)
18 ax-1cn 10032 . . . . . . . . 9 1 ∈ ℂ
19 addcom 10260 . . . . . . . . 9 ((𝑗 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → (𝑗 + 1) = (1 + 𝑗))
2017, 18, 19sylancl 695 . . . . . . . 8 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → (𝑗 + 1) = (1 + 𝑗))
2120oveq1d 6705 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → ((𝑗 + 1)C𝑗) = ((1 + 𝑗)C𝑗))
2216, 21eqtr3d 2687 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → (𝑗 + 1) = ((1 + 𝑗)C𝑗))
2322sumeq2dv 14477 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))(𝑗 + 1) = Σ𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))((1 + 𝑗)C𝑗))
24 1nn0 11346 . . . . . 6 1 ∈ ℕ0
25 nnm1nn0 11372 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ ℕ0)
26 bcxmas 14611 . . . . . 6 ((1 ∈ ℕ0 ∧ (𝑁 − 1) ∈ ℕ0) → (((1 + 1) + (𝑁 − 1))C(𝑁 − 1)) = Σ𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))((1 + 𝑗)C𝑗))
2724, 25, 26sylancr 696 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (((1 + 1) + (𝑁 − 1))C(𝑁 − 1)) = Σ𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))((1 + 𝑗)C𝑗))
2823, 27eqtr4d 2688 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑗 ∈ (0...(𝑁 − 1))(𝑗 + 1) = (((1 + 1) + (𝑁 − 1))C(𝑁 − 1)))
29 1cnd 10094 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ)
30 nncn 11066 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℂ)
3129, 29, 30ppncand 10470 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((1 + 1) + (𝑁 − 1)) = (1 + 𝑁))
32 addcom 10260 . . . . . . . 8 ((1 ∈ ℂ ∧ 𝑁 ∈ ℂ) → (1 + 𝑁) = (𝑁 + 1))
3318, 30, 32sylancr 696 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (1 + 𝑁) = (𝑁 + 1))
3431, 33eqtrd 2685 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((1 + 1) + (𝑁 − 1)) = (𝑁 + 1))
3534oveq1d 6705 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (((1 + 1) + (𝑁 − 1))C(𝑁 − 1)) = ((𝑁 + 1)C(𝑁 − 1)))
36 nnnn0 11337 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ0)
37 bcp1m1 13147 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ0 → ((𝑁 + 1)C(𝑁 − 1)) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) / 2))
3836, 37syl 17 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1)C(𝑁 − 1)) = (((𝑁 + 1) · 𝑁) / 2))
3930, 29, 30adddird 10103 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · 𝑁) = ((𝑁 · 𝑁) + (1 · 𝑁)))
40 sqval 12962 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℂ → (𝑁↑2) = (𝑁 · 𝑁))
4140eqcomd 2657 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℂ → (𝑁 · 𝑁) = (𝑁↑2))
42 mulid2 10076 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℂ → (1 · 𝑁) = 𝑁)
4341, 42oveq12d 6708 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℂ → ((𝑁 · 𝑁) + (1 · 𝑁)) = ((𝑁↑2) + 𝑁))
4430, 43syl 17 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 · 𝑁) + (1 · 𝑁)) = ((𝑁↑2) + 𝑁))
4539, 44eqtrd 2685 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 + 1) · 𝑁) = ((𝑁↑2) + 𝑁))
4645oveq1d 6705 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 + 1) · 𝑁) / 2) = (((𝑁↑2) + 𝑁) / 2))
4735, 38, 463eqtrd 2689 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (((1 + 1) + (𝑁 − 1))C(𝑁 − 1)) = (((𝑁↑2) + 𝑁) / 2))
4812, 28, 473eqtrd 2689 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...𝑁)𝑘 = (((𝑁↑2) + 𝑁) / 2))
49 oveq2 6698 . . . . . . 7 (𝑁 = 0 → (1...𝑁) = (1...0))
50 fz10 12400 . . . . . . 7 (1...0) = ∅
5149, 50syl6eq 2701 . . . . . 6 (𝑁 = 0 → (1...𝑁) = ∅)
5251sumeq1d 14475 . . . . 5 (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (1...𝑁)𝑘 = Σ𝑘 ∈ ∅ 𝑘)
53 sum0 14496 . . . . 5 Σ𝑘 ∈ ∅ 𝑘 = 0
5452, 53syl6eq 2701 . . . 4 (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (1...𝑁)𝑘 = 0)
55 sq0i 12996 . . . . . . . 8 (𝑁 = 0 → (𝑁↑2) = 0)
56 id 22 . . . . . . . 8 (𝑁 = 0 → 𝑁 = 0)
5755, 56oveq12d 6708 . . . . . . 7 (𝑁 = 0 → ((𝑁↑2) + 𝑁) = (0 + 0))
58 00id 10249 . . . . . . 7 (0 + 0) = 0
5957, 58syl6eq 2701 . . . . . 6 (𝑁 = 0 → ((𝑁↑2) + 𝑁) = 0)
6059oveq1d 6705 . . . . 5 (𝑁 = 0 → (((𝑁↑2) + 𝑁) / 2) = (0 / 2))
61 2cn 11129 . . . . . 6 2 ∈ ℂ
62 2ne0 11151 . . . . . 6 2 ≠ 0
6361, 62div0i 10797 . . . . 5 (0 / 2) = 0
6460, 63syl6eq 2701 . . . 4 (𝑁 = 0 → (((𝑁↑2) + 𝑁) / 2) = 0)
6554, 64eqtr4d 2688 . . 3 (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (1...𝑁)𝑘 = (((𝑁↑2) + 𝑁) / 2))
6648, 65jaoi 393 . 2 ((𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0) → Σ𝑘 ∈ (1...𝑁)𝑘 = (((𝑁↑2) + 𝑁) / 2))
671, 66sylbi 207 1 (𝑁 ∈ ℕ0 → Σ𝑘 ∈ (1...𝑁)𝑘 = (((𝑁↑2) + 𝑁) / 2))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wo 382  wa 383   = wceq 1523  wcel 2030  c0 3948  (class class class)co 6690  cc 9972  0cc0 9974  1c1 9975   + caddc 9977   · cmul 9979  cmin 10304   / cdiv 10722  cn 11058  2c2 11108  0cn0 11330  ...cfz 12364  cexp 12900  Ccbc 13129  Σcsu 14460
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1762  ax-4 1777  ax-5 1879  ax-6 1945  ax-7 1981  ax-8 2032  ax-9 2039  ax-10 2059  ax-11 2074  ax-12 2087  ax-13 2282  ax-ext 2631  ax-rep 4804  ax-sep 4814  ax-nul 4822  ax-pow 4873  ax-pr 4936  ax-un 6991  ax-inf2 8576  ax-cnex 10030  ax-resscn 10031  ax-1cn 10032  ax-icn 10033  ax-addcl 10034  ax-addrcl 10035  ax-mulcl 10036  ax-mulrcl 10037  ax-mulcom 10038  ax-addass 10039  ax-mulass 10040  ax-distr 10041  ax-i2m1 10042  ax-1ne0 10043  ax-1rid 10044  ax-rnegex 10045  ax-rrecex 10046  ax-cnre 10047  ax-pre-lttri 10048  ax-pre-lttrn 10049  ax-pre-ltadd 10050  ax-pre-mulgt0 10051  ax-pre-sup 10052
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 384  df-an 385  df-3or 1055  df-3an 1056  df-tru 1526  df-fal 1529  df-ex 1745  df-nf 1750  df-sb 1938  df-eu 2502  df-mo 2503  df-clab 2638  df-cleq 2644  df-clel 2647  df-nfc 2782  df-ne 2824  df-nel 2927  df-ral 2946  df-rex 2947  df-reu 2948  df-rmo 2949  df-rab 2950  df-v 3233  df-sbc 3469  df-csb 3567  df-dif 3610  df-un 3612  df-in 3614  df-ss 3621  df-pss 3623  df-nul 3949  df-if 4120  df-pw 4193  df-sn 4211  df-pr 4213  df-tp 4215  df-op 4217  df-uni 4469  df-int 4508  df-iun 4554  df-br 4686  df-opab 4746  df-mpt 4763  df-tr 4786  df-id 5053  df-eprel 5058  df-po 5064  df-so 5065  df-fr 5102  df-se 5103  df-we 5104  df-xp 5149  df-rel 5150  df-cnv 5151  df-co 5152  df-dm 5153  df-rn 5154  df-res 5155  df-ima 5156  df-pred 5718  df-ord 5764  df-on 5765  df-lim 5766  df-suc 5767  df-iota 5889  df-fun 5928  df-fn 5929  df-f 5930  df-f1 5931  df-fo 5932  df-f1o 5933  df-fv 5934  df-isom 5935  df-riota 6651  df-ov 6693  df-oprab 6694  df-mpt2 6695  df-om 7108  df-1st 7210  df-2nd 7211  df-wrecs 7452  df-recs 7513  df-rdg 7551  df-1o 7605  df-oadd 7609  df-er 7787  df-en 7998  df-dom 7999  df-sdom 8000  df-fin 8001  df-sup 8389  df-oi 8456  df-card 8803  df-pnf 10114  df-mnf 10115  df-xr 10116  df-ltxr 10117  df-le 10118  df-sub 10306  df-neg 10307  df-div 10723  df-nn 11059  df-2 11117  df-3 11118  df-n0 11331  df-z 11416  df-uz 11726  df-rp 11871  df-fz 12365  df-fzo 12505  df-seq 12842  df-exp 12901  df-fac 13101  df-bc 13130  df-hash 13158  df-cj 13883  df-re 13884  df-im 13885  df-sqrt 14019  df-abs 14020  df-clim 14263  df-sum 14461
This theorem is referenced by:  arisum2  14637
  Copyright terms: Public domain W3C validator