Theorem dfphi2 12358

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 9672	. 2 |- ( N e. NN <-> ( N = 1 \/ N e. ( ZZ>= ` 2 ) ) )
2		phi1 12357	. . . . 5 |- ( phi ` 1 ) = 1
3		0z 9328	. . . . . 6 |- 0 e. ZZ
4		hashsng 10869	. . . . . 6 |- ( 0 e. ZZ -> (♯ ` { 0 } ) = 1 )
5	3, 4	ax-mp 5	. . . . 5 |- (♯ ` { 0 } ) = 1
6		rabid2 2671	. . . . . . 7 |- ( { 0 } = { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } <-> A. x e. { 0 } ( x gcd 1 ) = 1 )
7		elsni 3636	. . . . . . . . 9 |- ( x e. { 0 } -> x = 0 )
8	7	oveq1d 5933	. . . . . . . 8 |- ( x e. { 0 } -> ( x gcd 1 ) = ( 0 gcd 1 ) )
9		gcd1 12124	. . . . . . . . 9 |- ( 0 e. ZZ -> ( 0 gcd 1 ) = 1 )
10	3, 9	ax-mp 5	. . . . . . . 8 |- ( 0 gcd 1 ) = 1
11	8, 10	eqtrdi 2242	. . . . . . 7 |- ( x e. { 0 } -> ( x gcd 1 ) = 1 )
12	6, 11	mprgbir 2552	. . . . . 6 |- { 0 } = { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 }
13	12	fveq2i 5557	. . . . 5 |- (♯ ` { 0 } ) = (♯ ` { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } )
14	2, 5, 13	3eqtr2i 2220	. . . 4 |- ( phi ` 1 ) = (♯ ` { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } )
15		fveq2 5554	. . . 4 |- ( N = 1 -> ( phi ` N ) = ( phi ` 1 ) )
16		oveq2 5926	. . . . . . 7 |- ( N = 1 -> ( 0..^ N ) = ( 0..^ 1 ) )
17		fzo01 10283	. . . . . . 7 |- ( 0..^ 1 ) = { 0 }
18	16, 17	eqtrdi 2242	. . . . . 6 |- ( N = 1 -> ( 0..^ N ) = { 0 } )
19		oveq2 5926	. . . . . . 7 |- ( N = 1 -> ( x gcd N ) = ( x gcd 1 ) )
20	19	eqeq1d 2202	. . . . . 6 |- ( N = 1 -> ( ( x gcd N ) = 1 <-> ( x gcd 1 ) = 1 ) )
21	18, 20	rabeqbidv 2755	. . . . 5 |- ( N = 1 -> { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } = { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } )
22	21	fveq2d 5558	. . . 4 |- ( N = 1 -> (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) = (♯ ` { x e. { 0 } | ( x gcd 1 ) = 1 } ) )
23	14, 15, 22	3eqtr4a 2252	. . 3 |- ( N = 1 -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )
24		eluz2nn 9631	. . . . 5 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N e. NN )
25		phival 12351	. . . . 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 10232	. . . . . . . . . . 11 |- ( 1..^ N ) C_ ( 1 ... N )
28	27	a1i 9	. . . . . . . . . 10 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( 1..^ N ) C_ ( 1 ... N ) )
29		sseqin2 3378	. . . . . . . . . 10 |- ( ( 1..^ N ) C_ ( 1 ... N ) <-> ( ( 1 ... N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( 1..^ N ) )
30	28, 29	sylib 122	. . . . . . . . 9 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( ( 1 ... N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( 1..^ N ) )
31		fzo0ss1 10241	. . . . . . . . . 10 |- ( 1..^ N ) C_ ( 0..^ N )
32		sseqin2 3378	. . . . . . . . . 10 |- ( ( 1..^ N ) C_ ( 0..^ N ) <-> ( ( 0..^ N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( 1..^ N ) )
33	31, 32	mpbi 145	. . . . . . . . 9 |- ( ( 0..^ N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( 1..^ N )
34	30, 33	eqtr4di 2244	. . . . . . . 8 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( ( 1 ... N ) i^i ( 1..^ N ) ) = ( ( 0..^ N ) i^i ( 1..^ N ) ) )
35	34	rabeqdv 2754	. . . . . . 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 3432	. . . . . . 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 3432	. . . . . . 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 2251	. . . . . 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 12354	. . . . . . . 8 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } C_ ( 1 ... ( N - 1 ) ) )
40		eluzelz 9601	. . . . . . . . 9 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N e. ZZ )
41		fzoval 10214	. . . . . . . . 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 3218	. . . . . . 7 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } C_ ( 1..^ N ) )
44		df-ss 3166	. . . . . . 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 122	. . . . . 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 12116	. . . . . . . . . . . . . . . 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 9602	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N e. RR )
49		eluzge2nn0 9634	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N e. NN0 )
50	49	nn0ge0d 9296	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> 0 <_ N )
51	48, 50	absidd 11311	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( abs ` N ) = N )
52	47, 51	eqtrd 2226	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( 0 gcd N ) = N )
53		eluz2b3 9669	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) <-> ( N e. NN /\ N =/= 1 ) )
54	53	simprbi 275	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> N =/= 1 )
55	52, 54	eqnetrd 2388	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( 0 gcd N ) =/= 1 )
56	55	adantr 276	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( 0 gcd N ) =/= 1 )
57	7	oveq1d 5933	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( x e. { 0 } -> ( x gcd N ) = ( 0 gcd N ) )
58	57, 17	eleq2s 2288	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( x e. ( 0..^ 1 ) -> ( x gcd N ) = ( 0 gcd N ) )
59	58	neeq1d 2382	. . . . . . . . . . . 12 |- ( x e. ( 0..^ 1 ) -> ( ( x gcd N ) =/= 1 <-> ( 0 gcd N ) =/= 1 ) )
60	56, 59	syl5ibrcom 157	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( x e. ( 0..^ 1 ) -> ( x gcd N ) =/= 1 ) )
61	60	necon2bd 2422	. . . . . . . . . 10 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( ( x gcd N ) = 1 -> -. x e. ( 0..^ 1 ) ) )
62		simpr 110	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> x e. ( 0..^ N ) )
63		1z 9343	. . . . . . . . . . . 12 |- 1 e. ZZ
64		fzospliti 10243	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( x e. ( 0..^ N ) /\ 1 e. ZZ ) -> ( x e. ( 0..^ 1 ) \/ x e. ( 1..^ N ) ) )
65	62, 63, 64	sylancl 413	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) /\ x e. ( 0..^ N ) ) -> ( x e. ( 0..^ 1 ) \/ x e. ( 1..^ N ) ) )
66	65	ord 725	. . . . . . . . . 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 2567	. . . . . . . 8 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> A. x e. ( 0..^ N ) ( ( x gcd N ) = 1 -> x e. ( 1..^ N ) ) )
69		rabss 3256	. . . . . . . 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 134	. . . . . . 7 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } C_ ( 1..^ N ) )
71		df-ss 3166	. . . . . . 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 122	. . . . . 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 2234	. . . . 5 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> { x e. ( 1 ... N ) | ( x gcd N ) = 1 } = { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } )
74	73	fveq2d 5558	. . . 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 2226	. . 3 |- ( N e. ( ZZ>= ` 2 ) -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )
76	23, 75	jaoi 717	. 2 |- ( ( N = 1 \/ N e. ( ZZ>= ` 2 ) ) -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )
77	1, 76	sylbi 121	1 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) = (♯ ` { x e. ( 0..^ N ) | ( x gcd N ) = 1 } ) )

Syntax hints:   -. wn 3   -> wi 4   /\ wa 104   \/ wo 709   = wceq 1364   e. wcel 2164   =/= wne 2364   A.wral 2472   {crab 2476   i^i cin 3152   C_ wss 3153   {csn 3618   ` cfv 5254  (class class class)co 5918   0cc0 7872   1c1 7873   - cmin 8190   NNcn 8982   2c2 9033   ZZcz 9317   ZZ>=cuz 9592   ...cfz 10074  ..^cfzo 10208  ♯chash 10846   abscabs 11141   gcd cgcd 12079   phicphi 12347

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 615  ax-in2 616  ax-io 710  ax-5 1458  ax-7 1459  ax-gen 1460  ax-ie1 1504  ax-ie2 1505  ax-8 1515  ax-10 1516  ax-11 1517  ax-i12 1518  ax-bndl 1520  ax-4 1521  ax-17 1537  ax-i9 1541  ax-ial 1545  ax-i5r 1546  ax-13 2166  ax-14 2167  ax-ext 2175  ax-coll 4144  ax-sep 4147  ax-nul 4155  ax-pow 4203  ax-pr 4238  ax-un 4464  ax-setind 4569  ax-iinf 4620  ax-cnex 7963  ax-resscn 7964  ax-1cn 7965  ax-1re 7966  ax-icn 7967  ax-addcl 7968  ax-addrcl 7969  ax-mulcl 7970  ax-mulrcl 7971  ax-addcom 7972  ax-mulcom 7973  ax-addass 7974  ax-mulass 7975  ax-distr 7976  ax-i2m1 7977  ax-0lt1 7978  ax-1rid 7979  ax-0id 7980  ax-rnegex 7981  ax-precex 7982  ax-cnre 7983  ax-pre-ltirr 7984  ax-pre-ltwlin 7985  ax-pre-lttrn 7986  ax-pre-apti 7987  ax-pre-ltadd 7988  ax-pre-mulgt0 7989  ax-pre-mulext 7990  ax-arch 7991  ax-caucvg 7992

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-stab 832  df-dc 836  df-3or 981  df-3an 982  df-tru 1367  df-fal 1370  df-nf 1472  df-sb 1774  df-eu 2045  df-mo 2046  df-clab 2180  df-cleq 2186  df-clel 2189  df-nfc 2325  df-ne 2365  df-nel 2460  df-ral 2477  df-rex 2478  df-reu 2479  df-rmo 2480  df-rab 2481  df-v 2762  df-sbc 2986  df-csb 3081  df-dif 3155  df-un 3157  df-in 3159  df-ss 3166  df-nul 3447  df-if 3558  df-pw 3603  df-sn 3624  df-pr 3625  df-op 3627  df-uni 3836  df-int 3871  df-iun 3914  df-br 4030  df-opab 4091  df-mpt 4092  df-tr 4128  df-id 4324  df-po 4327  df-iso 4328  df-iord 4397  df-on 4399  df-ilim 4400  df-suc 4402  df-iom 4623  df-xp 4665  df-rel 4666  df-cnv 4667  df-co 4668  df-dm 4669  df-rn 4670  df-res 4671  df-ima 4672  df-iota 5215  df-fun 5256  df-fn 5257  df-f 5258  df-f1 5259  df-fo 5260  df-f1o 5261  df-fv 5262  df-riota 5873  df-ov 5921  df-oprab 5922  df-mpo 5923  df-1st 6193  df-2nd 6194  df-recs 6358  df-frec 6444  df-1o 6469  df-er 6587  df-en 6795  df-dom 6796  df-fin 6797  df-sup 7043  df-pnf 8056  df-mnf 8057  df-xr 8058  df-ltxr 8059  df-le 8060  df-sub 8192  df-neg 8193  df-reap 8594  df-ap 8601  df-div 8692  df-inn 8983  df-2 9041  df-3 9042  df-4 9043  df-n0 9241  df-z 9318  df-uz 9593  df-q 9685  df-rp 9720  df-fz 10075  df-fzo 10209  df-fl 10339  df-mod 10394  df-seqfrec 10519  df-exp 10610  df-ihash 10847  df-cj 10986  df-re 10987  df-im 10988  df-rsqrt 11142  df-abs 11143  df-dvds 11931  df-gcd 12080  df-phi 12349

This theorem is referenced by:  phimullem  12363  eulerth  12371  hashgcdeq  12377