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

Theorem phisum 15542
Description: The divisor sum identity of the totient function. Theorem 2.2 in [ApostolNT] p. 26. (Contributed by Stefan O'Rear, 12-Sep-2015.)
Assertion
Ref Expression
phisum (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (ϕ‘𝑑) = 𝑁)
Distinct variable group:   𝑥,𝑁,𝑑

Proof of Theorem phisum
Dummy variables 𝑧 𝑦 𝑤 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 breq1 4688 . . . . . 6 (𝑥 = 𝑦 → (𝑥𝑁𝑦𝑁))
21elrab 3396 . . . . 5 (𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ↔ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦𝑁))
3 hashgcdeq 15541 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ ℕ) → (#‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = if(𝑦𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0))
43adantrr 753 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦𝑁)) → (#‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = if(𝑦𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0))
5 iftrue 4125 . . . . . . 7 (𝑦𝑁 → if(𝑦𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
65ad2antll 765 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦𝑁)) → if(𝑦𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
74, 6eqtrd 2685 . . . . 5 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦𝑁)) → (#‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
82, 7sylan2b 491 . . . 4 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}) → (#‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
98sumeq2dv 14477 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (#‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = Σ𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
10 fzfi 12811 . . . . 5 (1...𝑁) ∈ Fin
11 dvdsssfz1 15087 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ⊆ (1...𝑁))
12 ssfi 8221 . . . . 5 (((1...𝑁) ∈ Fin ∧ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ⊆ (1...𝑁)) → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ∈ Fin)
1310, 11, 12sylancr 696 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ∈ Fin)
14 fzofi 12813 . . . . . 6 (0..^𝑁) ∈ Fin
15 ssrab2 3720 . . . . . 6 {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ⊆ (0..^𝑁)
16 ssfi 8221 . . . . . 6 (((0..^𝑁) ∈ Fin ∧ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ⊆ (0..^𝑁)) → {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ∈ Fin)
1714, 15, 16mp2an 708 . . . . 5 {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ∈ Fin
1817a1i 11 . . . 4 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}) → {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ∈ Fin)
19 oveq1 6697 . . . . . . . . . 10 (𝑧 = 𝑤 → (𝑧 gcd 𝑁) = (𝑤 gcd 𝑁))
2019eqeq1d 2653 . . . . . . . . 9 (𝑧 = 𝑤 → ((𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦 ↔ (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦))
2120elrab 3396 . . . . . . . 8 (𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ↔ (𝑤 ∈ (0..^𝑁) ∧ (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦))
2221simprbi 479 . . . . . . 7 (𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} → (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦)
2322rgen 2951 . . . . . 6 𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦
2423rgenw 2953 . . . . 5 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}∀𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦
25 invdisj 4670 . . . . 5 (∀𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}∀𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦Disj 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦})
2624, 25mp1i 13 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Disj 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦})
2713, 18, 26hashiun 14598 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → (#‘ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = Σ𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (#‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}))
28 fveq2 6229 . . . 4 (𝑑 = (𝑁 / 𝑦) → (ϕ‘𝑑) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
29 eqid 2651 . . . . 5 {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}
30 eqid 2651 . . . . 5 (𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧)) = (𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧))
3129, 30dvdsflip 15086 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧)):{𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}–1-1-onto→{𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁})
32 oveq2 6698 . . . . . 6 (𝑧 = 𝑦 → (𝑁 / 𝑧) = (𝑁 / 𝑦))
33 ovex 6718 . . . . . 6 (𝑁 / 𝑦) ∈ V
3432, 30, 33fvmpt 6321 . . . . 5 (𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} → ((𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧))‘𝑦) = (𝑁 / 𝑦))
3534adantl 481 . . . 4 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}) → ((𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧))‘𝑦) = (𝑁 / 𝑦))
36 elrabi 3391 . . . . . . 7 (𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} → 𝑑 ∈ ℕ)
3736adantl 481 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}) → 𝑑 ∈ ℕ)
3837phicld 15524 . . . . 5 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}) → (ϕ‘𝑑) ∈ ℕ)
3938nncnd 11074 . . . 4 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}) → (ϕ‘𝑑) ∈ ℂ)
4028, 13, 31, 35, 39fsumf1o 14498 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (ϕ‘𝑑) = Σ𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
419, 27, 403eqtr4rd 2696 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (ϕ‘𝑑) = (#‘ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}))
42 elfzoelz 12509 . . . . . . . . . . 11 (𝑧 ∈ (0..^𝑁) → 𝑧 ∈ ℤ)
4342adantl 481 . . . . . . . . . 10 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → 𝑧 ∈ ℤ)
44 nnz 11437 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℤ)
4544adantr 480 . . . . . . . . . 10 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → 𝑁 ∈ ℤ)
46 nnne0 11091 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ≠ 0)
4746neneqd 2828 . . . . . . . . . . . 12 (𝑁 ∈ ℕ → ¬ 𝑁 = 0)
4847intnand 982 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → ¬ (𝑧 = 0 ∧ 𝑁 = 0))
4948adantr 480 . . . . . . . . . 10 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → ¬ (𝑧 = 0 ∧ 𝑁 = 0))
50 gcdn0cl 15271 . . . . . . . . . 10 (((𝑧 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) ∧ ¬ (𝑧 = 0 ∧ 𝑁 = 0)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∈ ℕ)
5143, 45, 49, 50syl21anc 1365 . . . . . . . . 9 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∈ ℕ)
52 gcddvds 15272 . . . . . . . . . . 11 ((𝑧 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) → ((𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑧 ∧ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
5343, 45, 52syl2anc 694 . . . . . . . . . 10 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → ((𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑧 ∧ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
5453simprd 478 . . . . . . . . 9 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁)
55 breq1 4688 . . . . . . . . . 10 (𝑥 = (𝑧 gcd 𝑁) → (𝑥𝑁 ↔ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
5655elrab 3396 . . . . . . . . 9 ((𝑧 gcd 𝑁) ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ↔ ((𝑧 gcd 𝑁) ∈ ℕ ∧ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
5751, 54, 56sylanbrc 699 . . . . . . . 8 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁})
58 risset 3091 . . . . . . . . 9 ((𝑧 gcd 𝑁) ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ↔ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}𝑦 = (𝑧 gcd 𝑁))
59 eqcom 2658 . . . . . . . . . 10 (𝑦 = (𝑧 gcd 𝑁) ↔ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
6059rexbii 3070 . . . . . . . . 9 (∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁}𝑦 = (𝑧 gcd 𝑁) ↔ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
6158, 60bitri 264 . . . . . . . 8 ((𝑧 gcd 𝑁) ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} ↔ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
6257, 61sylib 208 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
6362ralrimiva 2995 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ∀𝑧 ∈ (0..^𝑁)∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
64 rabid2 3148 . . . . . 6 ((0..^𝑁) = {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ↔ ∀𝑧 ∈ (0..^𝑁)∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
6563, 64sylibr 224 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (0..^𝑁) = {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦})
66 iunrab 4599 . . . . 5 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} = {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}
6765, 66syl6reqr 2704 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} = (0..^𝑁))
6867fveq2d 6233 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → (#‘ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = (#‘(0..^𝑁)))
69 nnnn0 11337 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ0)
70 hashfzo0 13255 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ0 → (#‘(0..^𝑁)) = 𝑁)
7169, 70syl 17 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → (#‘(0..^𝑁)) = 𝑁)
7268, 71eqtrd 2685 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → (#‘ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = 𝑁)
7341, 72eqtrd 2685 1 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥𝑁} (ϕ‘𝑑) = 𝑁)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  ¬ wn 3  wi 4  wa 383   = wceq 1523  wcel 2030  wral 2941  wrex 2942  {crab 2945  wss 3607  ifcif 4119   ciun 4552  Disj wdisj 4652   class class class wbr 4685  cmpt 4762  cfv 5926  (class class class)co 6690  Fincfn 7997  0cc0 9974  1c1 9975   / cdiv 10722  cn 11058  0cn0 11330  cz 11415  ...cfz 12364  ..^cfzo 12504  #chash 13157  Σcsu 14460  cdvds 15027   gcd cgcd 15263  ϕcphi 15516
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-disj 4653  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-inf 8390  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-xnn0 11402  df-z 11416  df-uz 11726  df-rp 11871  df-fz 12365  df-fzo 12505  df-fl 12633  df-mod 12709  df-seq 12842  df-exp 12901  df-hash 13158  df-cj 13883  df-re 13884  df-im 13885  df-sqrt 14019  df-abs 14020  df-clim 14263  df-sum 14461  df-dvds 15028  df-gcd 15264  df-phi 15518
This theorem is referenced by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator