Metamath Proof Explorer < Previous   Next > Nearby theorems Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  arisum2 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem arisum2 14529
 Description: Arithmetic series sum of the first 𝑁 nonnegative integers. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Apr-2015.) (Proof shortened by AV, 2-Aug-2021.)
Assertion
Ref Expression
arisum2 (𝑁 ∈ ℕ0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
Distinct variable group:   𝑘,𝑁

Proof of Theorem arisum2
StepHypRef Expression
1 elnn0 11246 . 2 (𝑁 ∈ ℕ0 ↔ (𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0))
2 nnm1nn0 11286 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ ℕ0)
3 nn0uz 11674 . . . . . 6 0 = (ℤ‘0)
42, 3syl6eleq 2708 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ (ℤ‘0))
5 elfznn0 12382 . . . . . . 7 (𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ0)
65adantl 482 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℕ0)
76nn0cnd 11305 . . . . 5 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℂ)
8 id 22 . . . . 5 (𝑘 = 0 → 𝑘 = 0)
94, 7, 8fsum1p 14423 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘))
10 1e0p1 11504 . . . . . . . . 9 1 = (0 + 1)
1110oveq1i 6620 . . . . . . . 8 (1...(𝑁 − 1)) = ((0 + 1)...(𝑁 − 1))
1211sumeq1i 14370 . . . . . . 7 Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘
1312oveq2i 6621 . . . . . 6 (0 + Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘) = (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘)
14 fzfid 12720 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → (1...(𝑁 − 1)) ∈ Fin)
15 elfznn 12320 . . . . . . . . . 10 (𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ)
1615adantl 482 . . . . . . . . 9 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℕ)
1716nncnd 10988 . . . . . . . 8 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℂ)
1814, 17fsumcl 14405 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 ∈ ℂ)
1918addid2d 10189 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (0 + Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘) = Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘)
2013, 19syl5eqr 2669 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘) = Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘)
21 arisum 14528 . . . . . . 7 ((𝑁 − 1) ∈ ℕ0 → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = ((((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) / 2))
222, 21syl 17 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = ((((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) / 2))
23 nncn 10980 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℂ)
24232timesd 11227 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) = (𝑁 + 𝑁))
2524oveq2d 6626 . . . . . . . . . . . 12 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) = ((𝑁↑2) − (𝑁 + 𝑁)))
2623sqcld 12954 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁↑2) ∈ ℂ)
2726, 23, 23subsub4d 10375 . . . . . . . . . . . 12 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁) = ((𝑁↑2) − (𝑁 + 𝑁)))
2825, 27eqtr4d 2658 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) = (((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁))
2928oveq1d 6625 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) + 1) = ((((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁) + 1))
30 binom2sub1 12930 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℂ → ((𝑁 − 1)↑2) = (((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) + 1))
3123, 30syl 17 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 − 1)↑2) = (((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) + 1))
3226, 23subcld 10344 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁↑2) − 𝑁) ∈ ℂ)
33 1cnd 10008 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ)
3432, 23, 33subsubd 10372 . . . . . . . . . 10 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁↑2) − 𝑁) − (𝑁 − 1)) = ((((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁) + 1))
3529, 31, 343eqtr4d 2665 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 − 1)↑2) = (((𝑁↑2) − 𝑁) − (𝑁 − 1)))
3635oveq1d 6625 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) = ((((𝑁↑2) − 𝑁) − (𝑁 − 1)) + (𝑁 − 1)))
37 ax-1cn 9946 . . . . . . . . . 10 1 ∈ ℂ
38 subcl 10232 . . . . . . . . . 10 ((𝑁 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → (𝑁 − 1) ∈ ℂ)
3923, 37, 38sylancl 693 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ ℂ)
4032, 39npcand 10348 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁↑2) − 𝑁) − (𝑁 − 1)) + (𝑁 − 1)) = ((𝑁↑2) − 𝑁))
4136, 40eqtrd 2655 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) = ((𝑁↑2) − 𝑁))
4241oveq1d 6625 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) / 2) = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
4322, 42eqtrd 2655 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
4420, 43eqtrd 2655 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘) = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
459, 44eqtrd 2655 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
46 oveq1 6617 . . . . . . . 8 (𝑁 = 0 → (𝑁 − 1) = (0 − 1))
4746oveq2d 6626 . . . . . . 7 (𝑁 = 0 → (0...(𝑁 − 1)) = (0...(0 − 1)))
48 0re 9992 . . . . . . . . 9 0 ∈ ℝ
49 ltm1 10815 . . . . . . . . 9 (0 ∈ ℝ → (0 − 1) < 0)
5048, 49ax-mp 5 . . . . . . . 8 (0 − 1) < 0
51 0z 11340 . . . . . . . . 9 0 ∈ ℤ
52 peano2zm 11372 . . . . . . . . . 10 (0 ∈ ℤ → (0 − 1) ∈ ℤ)
5351, 52ax-mp 5 . . . . . . . . 9 (0 − 1) ∈ ℤ
54 fzn 12307 . . . . . . . . 9 ((0 ∈ ℤ ∧ (0 − 1) ∈ ℤ) → ((0 − 1) < 0 ↔ (0...(0 − 1)) = ∅))
5551, 53, 54mp2an 707 . . . . . . . 8 ((0 − 1) < 0 ↔ (0...(0 − 1)) = ∅)
5650, 55mpbi 220 . . . . . . 7 (0...(0 − 1)) = ∅
5747, 56syl6eq 2671 . . . . . 6 (𝑁 = 0 → (0...(𝑁 − 1)) = ∅)
5857sumeq1d 14373 . . . . 5 (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = Σ𝑘 ∈ ∅ 𝑘)
59 sum0 14393 . . . . 5 Σ𝑘 ∈ ∅ 𝑘 = 0
6058, 59syl6eq 2671 . . . 4 (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = 0)
61 sq0i 12904 . . . . . . . 8 (𝑁 = 0 → (𝑁↑2) = 0)
62 id 22 . . . . . . . 8 (𝑁 = 0 → 𝑁 = 0)
6361, 62oveq12d 6628 . . . . . . 7 (𝑁 = 0 → ((𝑁↑2) − 𝑁) = (0 − 0))
64 0m0e0 11082 . . . . . . 7 (0 − 0) = 0
6563, 64syl6eq 2671 . . . . . 6 (𝑁 = 0 → ((𝑁↑2) − 𝑁) = 0)
6665oveq1d 6625 . . . . 5 (𝑁 = 0 → (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2) = (0 / 2))
67 2cn 11043 . . . . . 6 2 ∈ ℂ
68 2ne0 11065 . . . . . 6 2 ≠ 0
6967, 68div0i 10711 . . . . 5 (0 / 2) = 0
7066, 69syl6eq 2671 . . . 4 (𝑁 = 0 → (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2) = 0)
7160, 70eqtr4d 2658 . . 3 (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
7245, 71jaoi 394 . 2 ((𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0) → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
731, 72sylbi 207 1 (𝑁 ∈ ℕ0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 196   ∨ wo 383   ∧ wa 384   = wceq 1480   ∈ wcel 1987  ∅c0 3896   class class class wbr 4618  ‘cfv 5852  (class class class)co 6610  ℂcc 9886  ℝcr 9887  0cc0 9888  1c1 9889   + caddc 9891   · cmul 9893   < clt 10026   − cmin 10218   / cdiv 10636  ℕcn 10972  2c2 11022  ℕ0cn0 11244  ℤcz 11329  ℤ≥cuz 11639  ...cfz 12276  ↑cexp 12808  Σcsu 14358 This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1719  ax-4 1734  ax-5 1836  ax-6 1885  ax-7 1932  ax-8 1989  ax-9 1996  ax-10 2016  ax-11 2031  ax-12 2044  ax-13 2245  ax-ext 2601  ax-rep 4736  ax-sep 4746  ax-nul 4754  ax-pow 4808  ax-pr 4872  ax-un 6909  ax-inf2 8490  ax-cnex 9944  ax-resscn 9945  ax-1cn 9946  ax-icn 9947  ax-addcl 9948  ax-addrcl 9949  ax-mulcl 9950  ax-mulrcl 9951  ax-mulcom 9952  ax-addass 9953  ax-mulass 9954  ax-distr 9955  ax-i2m1 9956  ax-1ne0 9957  ax-1rid 9958  ax-rnegex 9959  ax-rrecex 9960  ax-cnre 9961  ax-pre-lttri 9962  ax-pre-lttrn 9963  ax-pre-ltadd 9964  ax-pre-mulgt0 9965  ax-pre-sup 9966 This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 385  df-an 386  df-3or 1037  df-3an 1038  df-tru 1483  df-fal 1486  df-ex 1702  df-nf 1707  df-sb 1878  df-eu 2473  df-mo 2474  df-clab 2608  df-cleq 2614  df-clel 2617  df-nfc 2750  df-ne 2791  df-nel 2894  df-ral 2912  df-rex 2913  df-reu 2914  df-rmo 2915  df-rab 2916  df-v 3191  df-sbc 3422  df-csb 3519  df-dif 3562  df-un 3564  df-in 3566  df-ss 3573  df-pss 3575  df-nul 3897  df-if 4064  df-pw 4137  df-sn 4154  df-pr 4156  df-tp 4158  df-op 4160  df-uni 4408  df-int 4446  df-iun 4492  df-br 4619  df-opab 4679  df-mpt 4680  df-tr 4718  df-eprel 4990  df-id 4994  df-po 5000  df-so 5001  df-fr 5038  df-se 5039  df-we 5040  df-xp 5085  df-rel 5086  df-cnv 5087  df-co 5088  df-dm 5089  df-rn 5090  df-res 5091  df-ima 5092  df-pred 5644  df-ord 5690  df-on 5691  df-lim 5692  df-suc 5693  df-iota 5815  df-fun 5854  df-fn 5855  df-f 5856  df-f1 5857  df-fo 5858  df-f1o 5859  df-fv 5860  df-isom 5861  df-riota 6571  df-ov 6613  df-oprab 6614  df-mpt2 6615  df-om 7020  df-1st 7120  df-2nd 7121  df-wrecs 7359  df-recs 7420  df-rdg 7458  df-1o 7512  df-oadd 7516  df-er 7694  df-en 7908  df-dom 7909  df-sdom 7910  df-fin 7911  df-sup 8300  df-oi 8367  df-card 8717  df-pnf 10028  df-mnf 10029  df-xr 10030  df-ltxr 10031  df-le 10032  df-sub 10220  df-neg 10221  df-div 10637  df-nn 10973  df-2 11031  df-3 11032  df-n0 11245  df-z 11330  df-uz 11640  df-rp 11785  df-fz 12277  df-fzo 12415  df-seq 12750  df-exp 12809  df-fac 13009  df-bc 13038  df-hash 13066  df-cj 13781  df-re 13782  df-im 13783  df-sqrt 13917  df-abs 13918  df-clim 14161  df-sum 14359 This theorem is referenced by:  birthdaylem3  24597
 Copyright terms: Public domain W3C validator