MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  sum2dchr Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem sum2dchr 24716
Description: An orthogonality relation for Dirichlet characters: the sum of 𝑥(𝐴) for fixed 𝐴 and all 𝑥 is 0 if 𝐴 = 1 and ϕ(𝑛) otherwise. Part of Theorem 6.5.2 of [Shapiro] p. 232. (Contributed by Mario Carneiro, 28-Apr-2016.)
Hypotheses
Ref Expression
sum2dchr.g 𝐺 = (DChr‘𝑁)
sum2dchr.d 𝐷 = (Base‘𝐺)
sum2dchr.z 𝑍 = (ℤ/nℤ‘𝑁)
sum2dchr.b 𝐵 = (Base‘𝑍)
sum2dchr.u 𝑈 = (Unit‘𝑍)
sum2dchr.n (𝜑𝑁 ∈ ℕ)
sum2dchr.a (𝜑𝐴𝐵)
sum2dchr.c (𝜑𝐶𝑈)
Assertion
Ref Expression
sum2dchr (𝜑 → Σ𝑥𝐷 ((𝑥𝐴) · (∗‘(𝑥𝐶))) = if(𝐴 = 𝐶, (ϕ‘𝑁), 0))
Distinct variable groups:   𝑥,𝐴   𝑥,𝐶   𝑥,𝐷   𝑥,𝐺   𝑥,𝑁   𝜑,𝑥   𝑥,𝑍
Allowed substitution hints:   𝐵(𝑥)   𝑈(𝑥)

Proof of Theorem sum2dchr
StepHypRef Expression
1 sum2dchr.g . . 3 𝐺 = (DChr‘𝑁)
2 sum2dchr.d . . 3 𝐷 = (Base‘𝐺)
3 sum2dchr.z . . 3 𝑍 = (ℤ/nℤ‘𝑁)
4 eqid 2609 . . 3 (1r𝑍) = (1r𝑍)
5 sum2dchr.b . . 3 𝐵 = (Base‘𝑍)
6 sum2dchr.n . . 3 (𝜑𝑁 ∈ ℕ)
76nnnn0d 11198 . . . . 5 (𝜑𝑁 ∈ ℕ0)
83zncrng 19657 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ0𝑍 ∈ CRing)
9 crngring 18327 . . . . 5 (𝑍 ∈ CRing → 𝑍 ∈ Ring)
107, 8, 93syl 18 . . . 4 (𝜑𝑍 ∈ Ring)
11 sum2dchr.a . . . 4 (𝜑𝐴𝐵)
12 sum2dchr.c . . . 4 (𝜑𝐶𝑈)
13 sum2dchr.u . . . . 5 𝑈 = (Unit‘𝑍)
14 eqid 2609 . . . . 5 (/r𝑍) = (/r𝑍)
155, 13, 14dvrcl 18455 . . . 4 ((𝑍 ∈ Ring ∧ 𝐴𝐵𝐶𝑈) → (𝐴(/r𝑍)𝐶) ∈ 𝐵)
1610, 11, 12, 15syl3anc 1317 . . 3 (𝜑 → (𝐴(/r𝑍)𝐶) ∈ 𝐵)
171, 2, 3, 4, 5, 6, 16sumdchr 24714 . 2 (𝜑 → Σ𝑥𝐷 (𝑥‘(𝐴(/r𝑍)𝐶)) = if((𝐴(/r𝑍)𝐶) = (1r𝑍), (ϕ‘𝑁), 0))
18 eqid 2609 . . . . . . . 8 (.r𝑍) = (.r𝑍)
19 eqid 2609 . . . . . . . 8 (invr𝑍) = (invr𝑍)
205, 18, 13, 19, 14dvrval 18454 . . . . . . 7 ((𝐴𝐵𝐶𝑈) → (𝐴(/r𝑍)𝐶) = (𝐴(.r𝑍)((invr𝑍)‘𝐶)))
2111, 12, 20syl2anc 690 . . . . . 6 (𝜑 → (𝐴(/r𝑍)𝐶) = (𝐴(.r𝑍)((invr𝑍)‘𝐶)))
2221adantr 479 . . . . 5 ((𝜑𝑥𝐷) → (𝐴(/r𝑍)𝐶) = (𝐴(.r𝑍)((invr𝑍)‘𝐶)))
2322fveq2d 6092 . . . 4 ((𝜑𝑥𝐷) → (𝑥‘(𝐴(/r𝑍)𝐶)) = (𝑥‘(𝐴(.r𝑍)((invr𝑍)‘𝐶))))
241, 3, 2dchrmhm 24683 . . . . . 6 𝐷 ⊆ ((mulGrp‘𝑍) MndHom (mulGrp‘ℂfld))
25 simpr 475 . . . . . 6 ((𝜑𝑥𝐷) → 𝑥𝐷)
2624, 25sseldi 3565 . . . . 5 ((𝜑𝑥𝐷) → 𝑥 ∈ ((mulGrp‘𝑍) MndHom (mulGrp‘ℂfld)))
2711adantr 479 . . . . 5 ((𝜑𝑥𝐷) → 𝐴𝐵)
285, 13unitss 18429 . . . . . 6 𝑈𝐵
2913, 19unitinvcl 18443 . . . . . . . 8 ((𝑍 ∈ Ring ∧ 𝐶𝑈) → ((invr𝑍)‘𝐶) ∈ 𝑈)
3010, 12, 29syl2anc 690 . . . . . . 7 (𝜑 → ((invr𝑍)‘𝐶) ∈ 𝑈)
3130adantr 479 . . . . . 6 ((𝜑𝑥𝐷) → ((invr𝑍)‘𝐶) ∈ 𝑈)
3228, 31sseldi 3565 . . . . 5 ((𝜑𝑥𝐷) → ((invr𝑍)‘𝐶) ∈ 𝐵)
33 eqid 2609 . . . . . . 7 (mulGrp‘𝑍) = (mulGrp‘𝑍)
3433, 5mgpbas 18264 . . . . . 6 𝐵 = (Base‘(mulGrp‘𝑍))
3533, 18mgpplusg 18262 . . . . . 6 (.r𝑍) = (+g‘(mulGrp‘𝑍))
36 eqid 2609 . . . . . . 7 (mulGrp‘ℂfld) = (mulGrp‘ℂfld)
37 cnfldmul 19519 . . . . . . 7 · = (.r‘ℂfld)
3836, 37mgpplusg 18262 . . . . . 6 · = (+g‘(mulGrp‘ℂfld))
3934, 35, 38mhmlin 17111 . . . . 5 ((𝑥 ∈ ((mulGrp‘𝑍) MndHom (mulGrp‘ℂfld)) ∧ 𝐴𝐵 ∧ ((invr𝑍)‘𝐶) ∈ 𝐵) → (𝑥‘(𝐴(.r𝑍)((invr𝑍)‘𝐶))) = ((𝑥𝐴) · (𝑥‘((invr𝑍)‘𝐶))))
4026, 27, 32, 39syl3anc 1317 . . . 4 ((𝜑𝑥𝐷) → (𝑥‘(𝐴(.r𝑍)((invr𝑍)‘𝐶))) = ((𝑥𝐴) · (𝑥‘((invr𝑍)‘𝐶))))
41 eqid 2609 . . . . . . . 8 ((mulGrp‘𝑍) ↾s 𝑈) = ((mulGrp‘𝑍) ↾s 𝑈)
42 eqid 2609 . . . . . . . 8 ((mulGrp‘ℂfld) ↾s (ℂ ∖ {0})) = ((mulGrp‘ℂfld) ↾s (ℂ ∖ {0}))
431, 3, 2, 13, 41, 42, 25dchrghm 24698 . . . . . . 7 ((𝜑𝑥𝐷) → (𝑥𝑈) ∈ (((mulGrp‘𝑍) ↾s 𝑈) GrpHom ((mulGrp‘ℂfld) ↾s (ℂ ∖ {0}))))
4412adantr 479 . . . . . . 7 ((𝜑𝑥𝐷) → 𝐶𝑈)
4513, 41unitgrpbas 18435 . . . . . . . 8 𝑈 = (Base‘((mulGrp‘𝑍) ↾s 𝑈))
4613, 41, 19invrfval 18442 . . . . . . . 8 (invr𝑍) = (invg‘((mulGrp‘𝑍) ↾s 𝑈))
47 cnfldbas 19517 . . . . . . . . . 10 ℂ = (Base‘ℂfld)
48 cnfld0 19535 . . . . . . . . . 10 0 = (0g‘ℂfld)
49 cndrng 19540 . . . . . . . . . 10 fld ∈ DivRing
5047, 48, 49drngui 18522 . . . . . . . . 9 (ℂ ∖ {0}) = (Unit‘ℂfld)
51 eqid 2609 . . . . . . . . 9 (invr‘ℂfld) = (invr‘ℂfld)
5250, 42, 51invrfval 18442 . . . . . . . 8 (invr‘ℂfld) = (invg‘((mulGrp‘ℂfld) ↾s (ℂ ∖ {0})))
5345, 46, 52ghminv 17436 . . . . . . 7 (((𝑥𝑈) ∈ (((mulGrp‘𝑍) ↾s 𝑈) GrpHom ((mulGrp‘ℂfld) ↾s (ℂ ∖ {0}))) ∧ 𝐶𝑈) → ((𝑥𝑈)‘((invr𝑍)‘𝐶)) = ((invr‘ℂfld)‘((𝑥𝑈)‘𝐶)))
5443, 44, 53syl2anc 690 . . . . . 6 ((𝜑𝑥𝐷) → ((𝑥𝑈)‘((invr𝑍)‘𝐶)) = ((invr‘ℂfld)‘((𝑥𝑈)‘𝐶)))
55 fvres 6102 . . . . . . 7 (((invr𝑍)‘𝐶) ∈ 𝑈 → ((𝑥𝑈)‘((invr𝑍)‘𝐶)) = (𝑥‘((invr𝑍)‘𝐶)))
5631, 55syl 17 . . . . . 6 ((𝜑𝑥𝐷) → ((𝑥𝑈)‘((invr𝑍)‘𝐶)) = (𝑥‘((invr𝑍)‘𝐶)))
57 fvres 6102 . . . . . . . . 9 (𝐶𝑈 → ((𝑥𝑈)‘𝐶) = (𝑥𝐶))
5844, 57syl 17 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑥𝐷) → ((𝑥𝑈)‘𝐶) = (𝑥𝐶))
5958fveq2d 6092 . . . . . . 7 ((𝜑𝑥𝐷) → ((invr‘ℂfld)‘((𝑥𝑈)‘𝐶)) = ((invr‘ℂfld)‘(𝑥𝐶)))
601, 3, 2, 5, 25dchrf 24684 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑥𝐷) → 𝑥:𝐵⟶ℂ)
6128, 44sseldi 3565 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑥𝐷) → 𝐶𝐵)
6260, 61ffvelrnd 6253 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑥𝐷) → (𝑥𝐶) ∈ ℂ)
631, 3, 2, 5, 13, 25, 61dchrn0 24692 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑥𝐷) → ((𝑥𝐶) ≠ 0 ↔ 𝐶𝑈))
6444, 63mpbird 245 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑥𝐷) → (𝑥𝐶) ≠ 0)
65 cnfldinv 19542 . . . . . . . 8 (((𝑥𝐶) ∈ ℂ ∧ (𝑥𝐶) ≠ 0) → ((invr‘ℂfld)‘(𝑥𝐶)) = (1 / (𝑥𝐶)))
6662, 64, 65syl2anc 690 . . . . . . 7 ((𝜑𝑥𝐷) → ((invr‘ℂfld)‘(𝑥𝐶)) = (1 / (𝑥𝐶)))
67 recval 13856 . . . . . . . . 9 (((𝑥𝐶) ∈ ℂ ∧ (𝑥𝐶) ≠ 0) → (1 / (𝑥𝐶)) = ((∗‘(𝑥𝐶)) / ((abs‘(𝑥𝐶))↑2)))
6862, 64, 67syl2anc 690 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑥𝐷) → (1 / (𝑥𝐶)) = ((∗‘(𝑥𝐶)) / ((abs‘(𝑥𝐶))↑2)))
691, 2, 25, 3, 13, 44dchrabs 24702 . . . . . . . . . . 11 ((𝜑𝑥𝐷) → (abs‘(𝑥𝐶)) = 1)
7069oveq1d 6542 . . . . . . . . . 10 ((𝜑𝑥𝐷) → ((abs‘(𝑥𝐶))↑2) = (1↑2))
71 sq1 12775 . . . . . . . . . 10 (1↑2) = 1
7270, 71syl6eq 2659 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑥𝐷) → ((abs‘(𝑥𝐶))↑2) = 1)
7372oveq2d 6543 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑥𝐷) → ((∗‘(𝑥𝐶)) / ((abs‘(𝑥𝐶))↑2)) = ((∗‘(𝑥𝐶)) / 1))
7462cjcld 13730 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑥𝐷) → (∗‘(𝑥𝐶)) ∈ ℂ)
7574div1d 10642 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑥𝐷) → ((∗‘(𝑥𝐶)) / 1) = (∗‘(𝑥𝐶)))
7668, 73, 753eqtrd 2647 . . . . . . 7 ((𝜑𝑥𝐷) → (1 / (𝑥𝐶)) = (∗‘(𝑥𝐶)))
7759, 66, 763eqtrd 2647 . . . . . 6 ((𝜑𝑥𝐷) → ((invr‘ℂfld)‘((𝑥𝑈)‘𝐶)) = (∗‘(𝑥𝐶)))
7854, 56, 773eqtr3d 2651 . . . . 5 ((𝜑𝑥𝐷) → (𝑥‘((invr𝑍)‘𝐶)) = (∗‘(𝑥𝐶)))
7978oveq2d 6543 . . . 4 ((𝜑𝑥𝐷) → ((𝑥𝐴) · (𝑥‘((invr𝑍)‘𝐶))) = ((𝑥𝐴) · (∗‘(𝑥𝐶))))
8023, 40, 793eqtrd 2647 . . 3 ((𝜑𝑥𝐷) → (𝑥‘(𝐴(/r𝑍)𝐶)) = ((𝑥𝐴) · (∗‘(𝑥𝐶))))
8180sumeq2dv 14227 . 2 (𝜑 → Σ𝑥𝐷 (𝑥‘(𝐴(/r𝑍)𝐶)) = Σ𝑥𝐷 ((𝑥𝐴) · (∗‘(𝑥𝐶))))
825, 13, 14, 4dvreq1 18462 . . . 4 ((𝑍 ∈ Ring ∧ 𝐴𝐵𝐶𝑈) → ((𝐴(/r𝑍)𝐶) = (1r𝑍) ↔ 𝐴 = 𝐶))
8310, 11, 12, 82syl3anc 1317 . . 3 (𝜑 → ((𝐴(/r𝑍)𝐶) = (1r𝑍) ↔ 𝐴 = 𝐶))
8483ifbid 4057 . 2 (𝜑 → if((𝐴(/r𝑍)𝐶) = (1r𝑍), (ϕ‘𝑁), 0) = if(𝐴 = 𝐶, (ϕ‘𝑁), 0))
8517, 81, 843eqtr3d 2651 1 (𝜑 → Σ𝑥𝐷 ((𝑥𝐴) · (∗‘(𝑥𝐶))) = if(𝐴 = 𝐶, (ϕ‘𝑁), 0))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 194  wa 382   = wceq 1474  wcel 1976  wne 2779  cdif 3536  ifcif 4035  {csn 4124  cres 5030  cfv 5790  (class class class)co 6527  cc 9790  0cc0 9792  1c1 9793   · cmul 9797   / cdiv 10533  cn 10867  2c2 10917  0cn0 11139  cexp 12677  ccj 13630  abscabs 13768  Σcsu 14210  ϕcphi 15253  Basecbs 15641  s cress 15642  .rcmulr 15715   MndHom cmhm 17102   GrpHom cghm 17426  mulGrpcmgp 18258  1rcur 18270  Ringcrg 18316  CRingccrg 18317  Unitcui 18408  invrcinvr 18440  /rcdvr 18451  fldccnfld 19513  ℤ/nczn 19615  DChrcdchr 24674
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1712  ax-4 1727  ax-5 1826  ax-6 1874  ax-7 1921  ax-8 1978  ax-9 1985  ax-10 2005  ax-11 2020  ax-12 2032  ax-13 2232  ax-ext 2589  ax-rep 4693  ax-sep 4703  ax-nul 4712  ax-pow 4764  ax-pr 4828  ax-un 6824  ax-inf2 8398  ax-cnex 9848  ax-resscn 9849  ax-1cn 9850  ax-icn 9851  ax-addcl 9852  ax-addrcl 9853  ax-mulcl 9854  ax-mulrcl 9855  ax-mulcom 9856  ax-addass 9857  ax-mulass 9858  ax-distr 9859  ax-i2m1 9860  ax-1ne0 9861  ax-1rid 9862  ax-rnegex 9863  ax-rrecex 9864  ax-cnre 9865  ax-pre-lttri 9866  ax-pre-lttrn 9867  ax-pre-ltadd 9868  ax-pre-mulgt0 9869  ax-pre-sup 9870  ax-addf 9871  ax-mulf 9872
This theorem depends on definitions:  df-bi 195  df-or 383  df-an 384  df-3or 1031  df-3an 1032  df-tru 1477  df-fal 1480  df-ex 1695  df-nf 1700  df-sb 1867  df-eu 2461  df-mo 2462  df-clab 2596  df-cleq 2602  df-clel 2605  df-nfc 2739  df-ne 2781  df-nel 2782  df-ral 2900  df-rex 2901  df-reu 2902  df-rmo 2903  df-rab 2904  df-v 3174  df-sbc 3402  df-csb 3499  df-dif 3542  df-un 3544  df-in 3546  df-ss 3553  df-pss 3555  df-nul 3874  df-if 4036  df-pw 4109  df-sn 4125  df-pr 4127  df-tp 4129  df-op 4131  df-uni 4367  df-int 4405  df-iun 4451  df-iin 4452  df-disj 4548  df-br 4578  df-opab 4638  df-mpt 4639  df-tr 4675  df-eprel 4939  df-id 4943  df-po 4949  df-so 4950  df-fr 4987  df-se 4988  df-we 4989  df-xp 5034  df-rel 5035  df-cnv 5036  df-co 5037  df-dm 5038  df-rn 5039  df-res 5040  df-ima 5041  df-pred 5583  df-ord 5629  df-on 5630  df-lim 5631  df-suc 5632  df-iota 5754  df-fun 5792  df-fn 5793  df-f 5794  df-f1 5795  df-fo 5796  df-f1o 5797  df-fv 5798  df-isom 5799  df-riota 6489  df-ov 6530  df-oprab 6531  df-mpt2 6532  df-of 6772  df-rpss 6812  df-om 6935  df-1st 7036  df-2nd 7037  df-supp 7160  df-tpos 7216  df-wrecs 7271  df-recs 7332  df-rdg 7370  df-1o 7424  df-2o 7425  df-oadd 7428  df-omul 7429  df-er 7606  df-ec 7608  df-qs 7612  df-map 7723  df-pm 7724  df-ixp 7772  df-en 7819  df-dom 7820  df-sdom 7821  df-fin 7822  df-fsupp 8136  df-fi 8177  df-sup 8208  df-inf 8209  df-oi 8275  df-card 8625  df-acn 8628  df-cda 8850  df-pnf 9932  df-mnf 9933  df-xr 9934  df-ltxr 9935  df-le 9936  df-sub 10119  df-neg 10120  df-div 10534  df-nn 10868  df-2 10926  df-3 10927  df-4 10928  df-5 10929  df-6 10930  df-7 10931  df-8 10932  df-9 10933  df-n0 11140  df-z 11211  df-dec 11326  df-uz 11520  df-q 11621  df-rp 11665  df-xneg 11778  df-xadd 11779  df-xmul 11780  df-ioo 12006  df-ioc 12007  df-ico 12008  df-icc 12009  df-fz 12153  df-fzo 12290  df-fl 12410  df-mod 12486  df-seq 12619  df-exp 12678  df-fac 12878  df-bc 12907  df-hash 12935  df-word 13100  df-concat 13102  df-s1 13103  df-shft 13601  df-cj 13633  df-re 13634  df-im 13635  df-sqrt 13769  df-abs 13770  df-limsup 13996  df-clim 14013  df-rlim 14014  df-sum 14211  df-ef 14583  df-sin 14585  df-cos 14586  df-pi 14588  df-dvds 14768  df-gcd 15001  df-prm 15170  df-phi 15255  df-pc 15326  df-struct 15643  df-ndx 15644  df-slot 15645  df-base 15646  df-sets 15647  df-ress 15648  df-plusg 15727  df-mulr 15728  df-starv 15729  df-sca 15730  df-vsca 15731  df-ip 15732  df-tset 15733  df-ple 15734  df-ds 15737  df-unif 15738  df-hom 15739  df-cco 15740  df-rest 15852  df-topn 15853  df-0g 15871  df-gsum 15872  df-topgen 15873  df-pt 15874  df-prds 15877  df-xrs 15931  df-qtop 15936  df-imas 15937  df-qus 15938  df-xps 15939  df-mre 16015  df-mrc 16016  df-acs 16018  df-mgm 17011  df-sgrp 17053  df-mnd 17064  df-mhm 17104  df-submnd 17105  df-grp 17194  df-minusg 17195  df-sbg 17196  df-mulg 17310  df-subg 17360  df-nsg 17361  df-eqg 17362  df-ghm 17427  df-gim 17470  df-ga 17492  df-cntz 17519  df-oppg 17545  df-od 17717  df-gex 17718  df-pgp 17719  df-lsm 17820  df-pj1 17821  df-cmn 17964  df-abl 17965  df-cyg 18049  df-dprd 18163  df-dpj 18164  df-mgp 18259  df-ur 18271  df-ring 18318  df-cring 18319  df-oppr 18392  df-dvdsr 18410  df-unit 18411  df-invr 18441  df-dvr 18452  df-rnghom 18484  df-drng 18518  df-subrg 18547  df-lmod 18634  df-lss 18700  df-lsp 18739  df-sra 18939  df-rgmod 18940  df-lidl 18941  df-rsp 18942  df-2idl 18999  df-psmet 19505  df-xmet 19506  df-met 19507  df-bl 19508  df-mopn 19509  df-fbas 19510  df-fg 19511  df-cnfld 19514  df-zring 19584  df-zrh 19616  df-zn 19619  df-top 20463  df-bases 20464  df-topon 20465  df-topsp 20466  df-cld 20575  df-ntr 20576  df-cls 20577  df-nei 20654  df-lp 20692  df-perf 20693  df-cn 20783  df-cnp 20784  df-haus 20871  df-tx 21117  df-hmeo 21310  df-fil 21402  df-fm 21494  df-flim 21495  df-flf 21496  df-xms 21876  df-ms 21877  df-tms 21878  df-cncf 22420  df-0p 23160  df-limc 23353  df-dv 23354  df-ply 23665  df-idp 23666  df-coe 23667  df-dgr 23668  df-quot 23767  df-log 24024  df-cxp 24025  df-dchr 24675
This theorem is referenced by:  rpvmasum2  24918
  Copyright terms: Public domain W3C validator