MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  dchrhash Unicode version

Theorem dchrhash 20504
Description: There are exactly  phi ( N ) Dirichlet characters modulo  N. Part of Theorem 6.5.1 of [Shapiro] p. 230. (Contributed by Mario Carneiro, 28-Apr-2016.)
Hypotheses
Ref Expression
sumdchr.g  |-  G  =  (DChr `  N )
sumdchr.d  |-  D  =  ( Base `  G
)
Assertion
Ref Expression
dchrhash  |-  ( N  e.  NN  ->  ( # `
 D )  =  ( phi `  N
) )
Dummy variables  x  a are mutually distinct and distinct from all other variables.

Proof of Theorem dchrhash
StepHypRef Expression
1 eqid 2284 . . . . . 6  |-  (ℤ/n `  N
)  =  (ℤ/n `  N
)
2 eqid 2284 . . . . . 6  |-  ( Base `  (ℤ/n `  N ) )  =  ( Base `  (ℤ/n `  N
) )
31, 2znfi 16507 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( Base `  (ℤ/n `  N ) )  e. 
Fin )
4 sumdchr.g . . . . . 6  |-  G  =  (DChr `  N )
5 sumdchr.d . . . . . 6  |-  D  =  ( Base `  G
)
64, 5dchrfi 20488 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  D  e.  Fin )
7 simprr 735 . . . . . . 7  |-  ( ( N  e.  NN  /\  ( a  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) )  /\  x  e.  D )
)  ->  x  e.  D )
84, 1, 5, 2, 7dchrf 20475 . . . . . 6  |-  ( ( N  e.  NN  /\  ( a  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) )  /\  x  e.  D )
)  ->  x :
( Base `  (ℤ/n `  N ) ) --> CC )
9 simprl 734 . . . . . 6  |-  ( ( N  e.  NN  /\  ( a  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) )  /\  x  e.  D )
)  ->  a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N ) ) )
10 ffvelrn 5624 . . . . . 6  |-  ( ( x : ( Base `  (ℤ/n `  N ) ) --> CC 
/\  a  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) ) )  ->  ( x `  a )  e.  CC )
118, 9, 10syl2anc 644 . . . . 5  |-  ( ( N  e.  NN  /\  ( a  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) )  /\  x  e.  D )
)  ->  ( x `  a )  e.  CC )
123, 6, 11fsumcom 12232 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N
) ) sum_ x  e.  D  ( x `  a )  =  sum_ x  e.  D  sum_ a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N
) ) ( x `
 a ) )
13 eqid 2284 . . . . . . 7  |-  ( 1r
`  (ℤ/n `  N ) )  =  ( 1r `  (ℤ/n `  N
) )
14 simpl 445 . . . . . . 7  |-  ( ( N  e.  NN  /\  a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N ) ) )  ->  N  e.  NN )
15 simpr 449 . . . . . . 7  |-  ( ( N  e.  NN  /\  a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N ) ) )  ->  a  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) ) )
164, 5, 1, 13, 2, 14, 15sumdchr2 20503 . . . . . 6  |-  ( ( N  e.  NN  /\  a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N ) ) )  ->  sum_ x  e.  D  ( x `  a
)  =  if ( a  =  ( 1r
`  (ℤ/n `  N ) ) ,  ( # `  D
) ,  0 ) )
17 elsn 3656 . . . . . . 7  |-  ( a  e.  { ( 1r
`  (ℤ/n `  N ) ) }  <-> 
a  =  ( 1r
`  (ℤ/n `  N ) ) )
18 ifbi 3583 . . . . . . 7  |-  ( ( a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) }  <->  a  =  ( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) )  ->  if ( a  e.  {
( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) } , 
( # `  D ) ,  0 )  =  if ( a  =  ( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) ,  (
# `  D ) ,  0 ) )
1917, 18mp1i 13 . . . . . 6  |-  ( ( N  e.  NN  /\  a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N ) ) )  ->  if ( a  e.  { ( 1r
`  (ℤ/n `  N ) ) } ,  ( # `  D
) ,  0 )  =  if ( a  =  ( 1r `  (ℤ/n `  N ) ) ,  ( # `  D
) ,  0 ) )
2016, 19eqtr4d 2319 . . . . 5  |-  ( ( N  e.  NN  /\  a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N ) ) )  ->  sum_ x  e.  D  ( x `  a
)  =  if ( a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) } , 
( # `  D ) ,  0 ) )
2120sumeq2dv 12170 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N
) ) sum_ x  e.  D  ( x `  a )  =  sum_ a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N ) ) if ( a  e.  {
( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) } , 
( # `  D ) ,  0 ) )
22 eqid 2284 . . . . . . 7  |-  ( 0g
`  G )  =  ( 0g `  G
)
23 simpr 449 . . . . . . 7  |-  ( ( N  e.  NN  /\  x  e.  D )  ->  x  e.  D )
244, 1, 5, 22, 23, 2dchrsum 20502 . . . . . 6  |-  ( ( N  e.  NN  /\  x  e.  D )  -> 
sum_ a  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) ) ( x `  a )  =  if ( x  =  ( 0g `  G ) ,  ( phi `  N ) ,  0 ) )
25 elsn 3656 . . . . . . 7  |-  ( x  e.  { ( 0g
`  G ) }  <-> 
x  =  ( 0g
`  G ) )
26 ifbi 3583 . . . . . . 7  |-  ( ( x  e.  { ( 0g `  G ) }  <->  x  =  ( 0g `  G ) )  ->  if ( x  e.  { ( 0g
`  G ) } ,  ( phi `  N ) ,  0 )  =  if ( x  =  ( 0g
`  G ) ,  ( phi `  N
) ,  0 ) )
2725, 26mp1i 13 . . . . . 6  |-  ( ( N  e.  NN  /\  x  e.  D )  ->  if ( x  e. 
{ ( 0g `  G ) } , 
( phi `  N
) ,  0 )  =  if ( x  =  ( 0g `  G ) ,  ( phi `  N ) ,  0 ) )
2824, 27eqtr4d 2319 . . . . 5  |-  ( ( N  e.  NN  /\  x  e.  D )  -> 
sum_ a  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) ) ( x `  a )  =  if ( x  e.  { ( 0g
`  G ) } ,  ( phi `  N ) ,  0 ) )
2928sumeq2dv 12170 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ x  e.  D  sum_ a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N
) ) ( x `
 a )  = 
sum_ x  e.  D  if ( x  e.  {
( 0g `  G
) } ,  ( phi `  N ) ,  0 ) )
3012, 21, 293eqtr3d 2324 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N
) ) if ( a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) } , 
( # `  D ) ,  0 )  = 
sum_ x  e.  D  if ( x  e.  {
( 0g `  G
) } ,  ( phi `  N ) ,  0 ) )
31 nnnn0 9967 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN  ->  N  e.  NN0 )
321zncrng 16492 . . . . . . 7  |-  ( N  e.  NN0  ->  (ℤ/n `  N
)  e.  CRing )
33 crngrng 15345 . . . . . . 7  |-  ( (ℤ/n `  N )  e.  CRing  -> 
(ℤ/n `  N )  e.  Ring )
3431, 32, 333syl 20 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  (ℤ/n `  N
)  e.  Ring )
352, 13rngidcl 15355 . . . . . 6  |-  ( (ℤ/n `  N )  e.  Ring  -> 
( 1r `  (ℤ/n `  N
) )  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) ) )
3634, 35syl 17 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( 1r `  (ℤ/n `  N ) )  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N
) ) )
3736snssd 3761 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  { ( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) }  C_  ( Base `  (ℤ/n `  N ) ) )
38 hashcl 11344 . . . . . 6  |-  ( D  e.  Fin  ->  ( # `
 D )  e. 
NN0 )
39 nn0cn 9970 . . . . . 6  |-  ( (
# `  D )  e.  NN0  ->  ( # `  D
)  e.  CC )
406, 38, 393syl 20 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( # `
 D )  e.  CC )
4140ralrimivw 2628 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  A. a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N ) ) }  ( # `  D
)  e.  CC )
423olcd 384 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  (
( Base `  (ℤ/n `  N ) )  C_  ( ZZ>= `  0 )  \/  ( Base `  (ℤ/n `  N
) )  e.  Fin ) )
43 sumss2 12193 . . . 4  |-  ( ( ( { ( 1r
`  (ℤ/n `  N ) ) } 
C_  ( Base `  (ℤ/n `  N
) )  /\  A. a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N ) ) }  ( # `  D
)  e.  CC )  /\  ( ( Base `  (ℤ/n `  N ) )  C_  ( ZZ>= `  0 )  \/  ( Base `  (ℤ/n `  N
) )  e.  Fin ) )  ->  sum_ a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N ) ) }  ( # `  D
)  =  sum_ a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N
) ) if ( a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) } , 
( # `  D ) ,  0 ) )
4437, 41, 42, 43syl21anc 1183 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N ) ) }  ( # `  D
)  =  sum_ a  e.  ( Base `  (ℤ/n `  N
) ) if ( a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) } , 
( # `  D ) ,  0 ) )
454dchrabl 20487 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  G  e.  Abel )
46 ablgrp 15088 . . . . . 6  |-  ( G  e.  Abel  ->  G  e. 
Grp )
475, 22grpidcl 14504 . . . . . 6  |-  ( G  e.  Grp  ->  ( 0g `  G )  e.  D )
4845, 46, 473syl 20 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( 0g `  G )  e.  D )
4948snssd 3761 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  { ( 0g `  G ) }  C_  D )
50 phicl 12831 . . . . . 6  |-  ( N  e.  NN  ->  ( phi `  N )  e.  NN )
5150nncnd 9757 . . . . 5  |-  ( N  e.  NN  ->  ( phi `  N )  e.  CC )
5251ralrimivw 2628 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  A. x  e.  { ( 0g `  G ) }  ( phi `  N )  e.  CC )
536olcd 384 . . . 4  |-  ( N  e.  NN  ->  ( D  C_  ( ZZ>= `  0
)  \/  D  e. 
Fin ) )
54 sumss2 12193 . . . 4  |-  ( ( ( { ( 0g
`  G ) } 
C_  D  /\  A. x  e.  { ( 0g `  G ) }  ( phi `  N
)  e.  CC )  /\  ( D  C_  ( ZZ>= `  0 )  \/  D  e.  Fin ) )  ->  sum_ x  e.  { ( 0g `  G ) }  ( phi `  N )  = 
sum_ x  e.  D  if ( x  e.  {
( 0g `  G
) } ,  ( phi `  N ) ,  0 ) )
5549, 52, 53, 54syl21anc 1183 . . 3  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ x  e.  { ( 0g `  G ) }  ( phi `  N )  = 
sum_ x  e.  D  if ( x  e.  {
( 0g `  G
) } ,  ( phi `  N ) ,  0 ) )
5630, 44, 553eqtr4d 2326 . 2  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N ) ) }  ( # `  D
)  =  sum_ x  e.  { ( 0g `  G ) }  ( phi `  N ) )
57 eqidd 2285 . . . 4  |-  ( a  =  ( 1r `  (ℤ/n `  N ) )  -> 
( # `  D )  =  ( # `  D
) )
5857sumsn 12207 . . 3  |-  ( ( ( 1r `  (ℤ/n `  N
) )  e.  (
Base `  (ℤ/n `  N ) )  /\  ( # `  D )  e.  CC )  ->  sum_ a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N
) ) }  ( # `
 D )  =  ( # `  D
) )
5936, 40, 58syl2anc 644 . 2  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ a  e.  { ( 1r `  (ℤ/n `  N ) ) }  ( # `  D
)  =  ( # `  D ) )
60 eqidd 2285 . . . 4  |-  ( x  =  ( 0g `  G )  ->  ( phi `  N )  =  ( phi `  N
) )
6160sumsn 12207 . . 3  |-  ( ( ( 0g `  G
)  e.  D  /\  ( phi `  N )  e.  CC )  ->  sum_ x  e.  { ( 0g `  G ) }  ( phi `  N )  =  ( phi `  N ) )
6248, 51, 61syl2anc 644 . 2  |-  ( N  e.  NN  ->  sum_ x  e.  { ( 0g `  G ) }  ( phi `  N )  =  ( phi `  N
) )
6356, 59, 623eqtr3d 2324 1  |-  ( N  e.  NN  ->  ( # `
 D )  =  ( phi `  N
) )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:    -> wi 6    <-> wb 178    \/ wo 359    /\ wa 360    = wceq 1624    e. wcel 1685   A.wral 2544    C_ wss 3153   ifcif 3566   {csn 3641   -->wf 5217   ` cfv 5221   Fincfn 6858   CCcc 8730   0cc0 8732   NNcn 9741   NN0cn0 9960   ZZ>=cuz 10225   #chash 11331   sum_csu 12152   phicphi 12826   Basecbs 13142   0gc0g 13394   Grpcgrp 14356   Abelcabel 15084   Ringcrg 15331   CRingccrg 15332   1rcur 15333  ℤ/nczn 16448  DChrcdchr 20465
This theorem is referenced by:  sumdchr  20505
This theorem was proved from axioms:  ax-1 7  ax-2 8  ax-3 9  ax-mp 10  ax-gen 1534  ax-5 1545  ax-17 1604  ax-9 1637  ax-8 1645  ax-13 1687  ax-14 1689  ax-6 1704  ax-7 1709  ax-11 1716  ax-12 1867  ax-ext 2265  ax-rep 4132  ax-sep 4142  ax-nul 4150  ax-pow 4187  ax-pr 4213  ax-un 4511  ax-inf2 7337  ax-cnex 8788  ax-resscn 8789  ax-1cn 8790  ax-icn 8791  ax-addcl 8792  ax-addrcl 8793  ax-mulcl 8794  ax-mulrcl 8795  ax-mulcom 8796  ax-addass 8797  ax-mulass 8798  ax-distr 8799  ax-i2m1 8800  ax-1ne0 8801  ax-1rid 8802  ax-rnegex 8803  ax-rrecex 8804  ax-cnre 8805  ax-pre-lttri 8806  ax-pre-lttrn 8807  ax-pre-ltadd 8808  ax-pre-mulgt0 8809  ax-pre-sup 8810  ax-addf 8811  ax-mulf 8812
This theorem depends on definitions:  df-bi 179  df-or 361  df-an 362  df-3or 937  df-3an 938  df-tru 1312  df-ex 1530  df-nf 1533  df-sb 1632  df-eu 2148  df-mo 2149  df-clab 2271  df-cleq 2277  df-clel 2280  df-nfc 2409  df-ne 2449  df-nel 2450  df-ral 2549  df-rex 2550  df-reu 2551  df-rmo 2552  df-rab 2553  df-v 2791  df-sbc 2993  df-csb 3083  df-dif 3156  df-un 3158  df-in 3160  df-ss 3167  df-pss 3169  df-nul 3457  df-if 3567  df-pw 3628  df-sn 3647  df-pr 3648  df-tp 3649  df-op 3650  df-uni 3829  df-int 3864  df-iun 3908  df-iin 3909  df-disj 3995  df-br 4025  df-opab 4079  df-mpt 4080  df-tr 4115  df-eprel 4304  df-id 4308  df-po 4313  df-so 4314  df-fr 4351  df-se 4352  df-we 4353  df-ord 4394  df-on 4395  df-lim 4396  df-suc 4397  df-om 4656  df-xp 4694  df-rel 4695  df-cnv 4696  df-co 4697  df-dm 4698  df-rn 4699  df-res 4700  df-ima 4701  df-fun 5223  df-fn 5224  df-f 5225  df-f1 5226  df-fo 5227  df-f1o 5228  df-fv 5229  df-isom 5230  df-ov 5822  df-oprab 5823  df-mpt2 5824  df-of 6039  df-1st 6083  df-2nd 6084  df-tpos 6195  df-rpss 6238  df-iota 6252  df-riota 6299  df-recs 6383  df-rdg 6418  df-1o 6474  df-2o 6475  df-oadd 6478  df-omul 6479  df-er 6655  df-ec 6657  df-qs 6661  df-map 6769  df-pm 6770  df-ixp 6813  df-en 6859  df-dom 6860  df-sdom 6861  df-fin 6862  df-fi 7160  df-sup 7189  df-oi 7220  df-card 7567  df-acn 7570  df-cda 7789  df-pnf 8864  df-mnf 8865  df-xr 8866  df-ltxr 8867  df-le 8868  df-sub 9034  df-neg 9035  df-div 9419  df-nn 9742  df-2 9799  df-3 9800  df-4 9801  df-5 9802  df-6 9803  df-7 9804  df-8 9805  df-9 9806  df-10 9807  df-n0 9961  df-z 10020  df-dec 10120  df-uz 10226  df-q 10312  df-rp 10350  df-xneg 10447  df-xadd 10448  df-xmul 10449  df-ioo 10654  df-ioc 10655  df-ico 10656  df-icc 10657  df-fz 10777  df-fzo 10865  df-fl 10919  df-mod 10968  df-seq 11041  df-exp 11099  df-fac 11283  df-bc 11310  df-hash 11332  df-word 11403  df-concat 11404  df-s1 11405  df-shft 11556  df-cj 11578  df-re 11579  df-im 11580  df-sqr 11714  df-abs 11715  df-limsup 11939  df-clim 11956  df-rlim 11957  df-sum 12153  df-ef 12343  df-sin 12345  df-cos 12346  df-pi 12348  df-dvds 12526  df-gcd 12680  df-prm 12753  df-phi 12828  df-pc 12884  df-struct 13144  df-ndx 13145  df-slot 13146  df-base 13147  df-sets 13148  df-ress 13149  df-plusg 13215  df-mulr 13216  df-starv 13217  df-sca 13218  df-vsca 13219  df-tset 13221  df-ple 13222  df-ds 13224  df-hom 13226  df-cco 13227  df-rest 13321  df-topn 13322  df-topgen 13338  df-pt 13339  df-prds 13342  df-xrs 13397  df-0g 13398  df-gsum 13399  df-qtop 13404  df-imas 13405  df-divs 13406  df-xps 13407  df-mre 13482  df-mrc 13483  df-acs 13485  df-mnd 14361  df-mhm 14409  df-submnd 14410  df-grp 14483  df-minusg 14484  df-sbg 14485  df-mulg 14486  df-subg 14612  df-nsg 14613  df-eqg 14614  df-ghm 14675  df-gim 14717  df-ga 14738  df-cntz 14787  df-oppg 14813  df-od 14838  df-gex 14839  df-pgp 14840  df-lsm 14941  df-pj1 14942  df-cmn 15085  df-abl 15086  df-cyg 15159  df-dprd 15227  df-dpj 15228  df-mgp 15320  df-rng 15334  df-cring 15335  df-ur 15336  df-oppr 15399  df-dvdsr 15417  df-unit 15418  df-invr 15448  df-rnghom 15490  df-subrg 15537  df-lmod 15623  df-lss 15684  df-lsp 15723  df-sra 15919  df-rgmod 15920  df-lidl 15921  df-rsp 15922  df-2idl 15978  df-xmet 16367  df-met 16368  df-bl 16369  df-mopn 16370  df-cnfld 16372  df-zrh 16449  df-zn 16452  df-top 16630  df-bases 16632  df-topon 16633  df-topsp 16634  df-cld 16750  df-ntr 16751  df-cls 16752  df-nei 16829  df-lp 16862  df-perf 16863  df-cn 16951  df-cnp 16952  df-haus 17037  df-tx 17251  df-hmeo 17440  df-fbas 17514  df-fg 17515  df-fil 17535  df-fm 17627  df-flim 17628  df-flf 17629  df-xms 17879  df-ms 17880  df-tms 17881  df-cncf 18376  df-0p 19019  df-limc 19210  df-dv 19211  df-ply 19564  df-idp 19565  df-coe 19566  df-dgr 19567  df-quot 19665  df-log 19908  df-cxp 19909  df-dchr 20466
  Copyright terms: Public domain W3C validator