Theorem dfphi2 12129

Description: Alternate definition of the Euler phi function. (Contributed by Mario Carneiro, 23-Feb-2014.) (Revised by Mario Carneiro, 2-May-2016.)

Assertion

Ref	Expression
dfphi2	|- ( N e. NN -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )

Distinct variable group:   x, N

Proof of Theorem dfphi2

Step	Hyp	Ref	Expression
1		elnn1uz2 9536	. 2 |- ( N e. NN <-> ( N = 1 \/ N e. ( ZZ>= ` 2 ) ) )
2		phi1 12128	. . . . 5 |- ( phi ` 1 ) = 1
3		0z 9193	. . . . . 6 |- 0 e. ZZ
4		hashsng 10700	. . . . . 6 |- ( 0 e. ZZ -> (♯ ` { 0 } ) = 1 )
5	3, 4	ax-mp 5	. . . . 5 |- (♯ ` { 0 } ) = 1
6		rabid2 2640	. . . . . . 7 |- ( { 0 } = { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } <-> A. x e. { 0 } ( x gcd 1 ) = 1 )
7		elsni 3588	. . . . . . . . 9 |- ( x e. { 0 } -> x = 0 )
8	7	oveq1d 5851	. . . . . . . 8 |- ( x e. { 0 } -> ( x gcd 1 ) = ( 0 gcd 1 ) )
9		gcd1 11905	. . . . . . . . 9 |- ( 0 e. ZZ -> ( 0 gcd 1 ) = 1 )
10	3, 9	ax-mp 5	. . . . . . . 8 |- ( 0 gcd 1 ) = 1
11	8, 10	eqtrdi 2213	. . . . . . 7 |- ( x e. { 0 } -> ( x gcd 1 ) = 1 )
12	6, 11	mprgbir 2522	. . . . . 6 |- { 0 } = { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 }
13	12	fveq2i 5483	. . . . 5 |- (♯ ` { 0 } ) = (♯ ` { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } )
14	2, 5, 13	3eqtr2i 2191	. . . 4 |- ( phi ` 1 ) = (♯ ` { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } )
15		fveq2 5480	. . . 4 |- ( N = 1 -> ( phi ` N ) = ( phi ` 1 ) )
16		oveq2 5844	. . . . . . 7 |- ( N = 1 -> ( 0..^ N ) = ( 0..^ 1 ) )
17		fzo01 10141	. . . . . . 7 |- ( 0..^ 1 ) = { 0 }
18	16, 17	eqtrdi 2213	. . . . . 6 |- ( N = 1 -> ( 0..^ N ) = { 0 } )
19		oveq2 5844	. . . . . . 7 |- ( N = 1 -> ( x gcd N ) = ( x gcd 1 ) )
20	19	eqeq1d 2173	. . . . . 6 |- ( N = 1 -> ( ( x gcd N ) = 1 <-> ( x gcd 1 ) = 1 ) )
21	18, 20	rabeqbidv 2716	. . . . 5 |- ( N = 1 -> { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } = { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } )
22	21	fveq2d 5484	. . . 4 |- ( N = 1 -> (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) = (♯ ` { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } ) )
23	14, 15, 22	3eqtr4a 2223	. . 3 |- ( N = 1 -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )
24		eluz2nn 9495	. . . . 5 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N e. NN )
25		phival 12122	. . . . 5 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )
26	24, 25	syl 14	. . . 4 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )
27		fzossfz 10090	. . . . . . . . . . 11 |- ( 1..^ N ) C_ ( 1 ... N )
28	27	a1i 9	. . . . . . . . . 10 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( 1..^ N ) C_ ( 1 ... N ) )
29		sseqin2 3336	. . . . . . . . . 10 |- ( ( 1..^ N ) C_ ( 1 ... N ) <-> ( ( 1 ... N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( 1..^ N ) )
30	28, 29	sylib 121	. . . . . . . . 9 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( ( 1 ... N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( 1..^ N ) )
31		fzo0ss1 10099	. . . . . . . . . 10 |- ( 1..^ N ) C_ ( 0..^ N )
32		sseqin2 3336	. . . . . . . . . 10 |- ( ( 1..^ N ) C_ ( 0..^ N ) <-> ( ( 0..^ N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( 1..^ N ) )
33	31, 32	mpbi 144	. . . . . . . . 9 |- ( ( 0..^ N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( 1..^ N )
34	30, 33	eqtr4di 2215	. . . . . . . 8 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( ( 1 ... N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( ( 0..^ N ) i^i ( 1..^ N ) ) )
35	34	rabeqdv 2715	. . . . . . 7 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> { x e. ( ( 1 ... N ) i^i ( 1..^ N ) ) | ( x gcd N ) = 1 } = { x e. ( ( 0..^ N ) i^i ( 1..^ N ) ) | ( x gcd N ) = 1 } )
36		inrab2 3390	. . . . . . 7 |- ( { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } i^i ( 1..^ N ) ) = { x e. ( ( 1 ... N ) i^i ( 1..^ N ) ) | ( x gcd N ) = 1 }
37		inrab2 3390	. . . . . . 7 |- ( { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } i^i ( 1..^ N ) ) = { x e. ( ( 0..^ N ) i^i ( 1..^ N ) ) | ( x gcd N ) = 1 }
38	35, 36, 37	3eqtr4g 2222	. . . . . 6 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } i^i ( 1..^ N ) ) = ( { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } i^i ( 1..^ N ) ) )
39		phibndlem 12125	. . . . . . . 8 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } C_ ( 1 ... ( N - 1 ) ) )
40		eluzelz 9466	. . . . . . . . 9 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N e. ZZ )
41		fzoval 10073	. . . . . . . . 9 |- ( N e. ZZ -> ( 1..^ N ) = ( 1 ... ( N - 1 ) ) )
42	40, 41	syl 14	. . . . . . . 8 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( 1..^ N ) = ( 1 ... ( N - 1 ) ) )
43	39, 42	sseqtrrd 3176	. . . . . . 7 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } C_ ( 1..^ N ) )
44		df-ss 3124	. . . . . . 7 |- ( { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } C_ ( 1..^ N ) <-> ( { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } i^i ( 1..^ N ) ) = { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } )
45	43, 44	sylib 121	. . . . . 6 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } i^i ( 1..^ N ) ) = { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } )
46		gcd0id 11897	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( N e. ZZ -> ( 0 gcd N ) = ( abs ` N ) )
47	40, 46	syl 14	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( 0 gcd N ) = ( abs ` N ) )
48		eluzelre 9467	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N e. RR )
49		eluzge2nn0 9498	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N e. NN0 )
50	49	nn0ge0d 9161	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> 0 <_ N )
51	48, 50	absidd 11095	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( abs ` N ) = N )
52	47, 51	eqtrd 2197	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( 0 gcd N ) = N )
53		eluz2b3 9533	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) <-> ( N e. NN /\ N =/= 1 ) )
54	53	simprbi 273	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N =/= 1 )
55	52, 54	eqnetrd 2358	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( 0 gcd N ) =/= 1 )
56	55	adantr 274	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( 0 gcd N ) =/= 1 )
57	7	oveq1d 5851	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( x e. { 0 } -> ( x gcd N ) = ( 0 gcd N ) )
58	57, 17	eleq2s 2259	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( x e. ( 0..^ 1 ) -> ( x gcd N ) = ( 0 gcd N ) )
59	58	neeq1d 2352	. . . . . . . . . . . 12 |- ( x e. ( 0..^ 1 ) -> ( ( x gcd N ) =/= 1 <-> ( 0 gcd N ) =/= 1 ) )
60	56, 59	syl5ibrcom 156	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( x e. ( 0..^ 1 ) -> ( x gcd N ) =/= 1 ) )
61	60	necon2bd 2392	. . . . . . . . . 10 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( ( x gcd N ) = 1 -> -. x e. ( 0..^ 1 ) ) )
62		simpr 109	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> x e. ( 0..^ N ) )
63		1z 9208	. . . . . . . . . . . 12 |- 1 e. ZZ
64		fzospliti 10101	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( x e. ( 0..^ N ) /\ 1 e. ZZ ) -> ( x e. ( 0..^ 1 ) \/ x e. ( 1..^ N ) ) )
65	62, 63, 64	sylancl 410	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( x e. ( 0..^ 1 ) \/ x e. ( 1..^ N ) ) )
66	65	ord 714	. . . . . . . . . 10 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( -. x e. ( 0..^ 1 ) -> x e. ( 1..^ N ) ) )
67	61, 66	syld 45	. . . . . . . . 9 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( ( x gcd N ) = 1 -> x e. ( 1..^ N ) ) )
68	67	ralrimiva 2537	. . . . . . . 8 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> A. x e. ( 0..^ N ) ( ( x gcd N ) = 1 -> x e. ( 1..^ N ) ) )
69		rabss 3214	. . . . . . . 8 |- ( { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } C_ ( 1..^ N ) <-> A. x e. ( 0..^ N ) ( ( x gcd N ) = 1 -> x e. ( 1..^ N ) ) )
70	68, 69	sylibr 133	. . . . . . 7 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } C_ ( 1..^ N ) )
71		df-ss 3124	. . . . . . 7 |- ( { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } C_ ( 1..^ N ) <-> ( { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } i^i ( 1..^ N ) ) = { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } )
72	70, 71	sylib 121	. . . . . 6 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } i^i ( 1..^ N ) ) = { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } )
73	38, 45, 72	3eqtr3d 2205	. . . . 5 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } = { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } )
74	73	fveq2d 5484	. . . 4 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> (♯ ` { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )
75	26, 74	eqtrd 2197	. . 3 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )
76	23, 75	jaoi 706	. 2 |- ( ( N = 1 \/ N e. ( ZZ>= ` 2 ) ) -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )
77	1, 76	sylbi 120	1 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )

Syntax hints:   -. wn 3   -> wi 4   /\ wa 103   \/ wo 698   = wceq 1342   e. wcel 2135   =/= wne 2334   A.wral 2442   {crab 2446   i^i cin 3110   C_ wss 3111   {csn 3570   ` cfv 5182  (class class class)co 5836   0cc0 7744   1c1 7745   - cmin 8060   NNcn 8848   2c2 8899   ZZcz 9182   ZZ>=cuz 9457   ...cfz 9935  ..^cfzo 10067  ♯chash 10677   abscabs 10925   gcd cgcd 11860   phicphi 12118

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 105  ax-ia2 106  ax-ia3 107  ax-in1 604  ax-in2 605  ax-io 699  ax-5 1434  ax-7 1435  ax-gen 1436  ax-ie1 1480  ax-ie2 1481  ax-8 1491  ax-10 1492  ax-11 1493  ax-i12 1494  ax-bndl 1496  ax-4 1497  ax-17 1513  ax-i9 1517  ax-ial 1521  ax-i5r 1522  ax-13 2137  ax-14 2138  ax-ext 2146  ax-coll 4091  ax-sep 4094  ax-nul 4102  ax-pow 4147  ax-pr 4181  ax-un 4405  ax-setind 4508  ax-iinf 4559  ax-cnex 7835  ax-resscn 7836  ax-1cn 7837  ax-1re 7838  ax-icn 7839  ax-addcl 7840  ax-addrcl 7841  ax-mulcl 7842  ax-mulrcl 7843  ax-addcom 7844  ax-mulcom 7845  ax-addass 7846  ax-mulass 7847  ax-distr 7848  ax-i2m1 7849  ax-0lt1 7850  ax-1rid 7851  ax-0id 7852  ax-rnegex 7853  ax-precex 7854  ax-cnre 7855  ax-pre-ltirr 7856  ax-pre-ltwlin 7857  ax-pre-lttrn 7858  ax-pre-apti 7859  ax-pre-ltadd 7860  ax-pre-mulgt0 7861  ax-pre-mulext 7862  ax-arch 7863  ax-caucvg 7864

This theorem depends on definitions:  df-bi 116  df-stab 821  df-dc 825  df-3or 968  df-3an 969  df-tru 1345  df-fal 1348  df-nf 1448  df-sb 1750  df-eu 2016  df-mo 2017  df-clab 2151  df-cleq 2157  df-clel 2160  df-nfc 2295  df-ne 2335  df-nel 2430  df-ral 2447  df-rex 2448  df-reu 2449  df-rmo 2450  df-rab 2451  df-v 2723  df-sbc 2947  df-csb 3041  df-dif 3113  df-un 3115  df-in 3117  df-ss 3124  df-nul 3405  df-if 3516  df-pw 3555  df-sn 3576  df-pr 3577  df-op 3579  df-uni 3784  df-int 3819  df-iun 3862  df-br 3977  df-opab 4038  df-mpt 4039  df-tr 4075  df-id 4265  df-po 4268  df-iso 4269  df-iord 4338  df-on 4340  df-ilim 4341  df-suc 4343  df-iom 4562  df-xp 4604  df-rel 4605  df-cnv 4606  df-co 4607  df-dm 4608  df-rn 4609  df-res 4610  df-ima 4611  df-iota 5147  df-fun 5184  df-fn 5185  df-f 5186  df-f1 5187  df-fo 5188  df-f1o 5189  df-fv 5190  df-riota 5792  df-ov 5839  df-oprab 5840  df-mpo 5841  df-1st 6100  df-2nd 6101  df-recs 6264  df-frec 6350  df-1o 6375  df-er 6492  df-en 6698  df-dom 6699  df-fin 6700  df-sup 6940  df-pnf 7926  df-mnf 7927  df-xr 7928  df-ltxr 7929  df-le 7930  df-sub 8062  df-neg 8063  df-reap 8464  df-ap 8471  df-div 8560  df-inn 8849  df-2 8907  df-3 8908  df-4 8909  df-n0 9106  df-z 9183  df-uz 9458  df-q 9549  df-rp 9581  df-fz 9936  df-fzo 10068  df-fl 10195  df-mod 10248  df-seqfrec 10371  df-exp 10445  df-ihash 10678  df-cj 10770  df-re 10771  df-im 10772  df-rsqrt 10926  df-abs 10927  df-dvds 11714  df-gcd 11861  df-phi 12120

This theorem is referenced by:  phimullem  12134  eulerth  12142  hashgcdeq  12148