Theorem phiprmpw 11073

Description: Value of the Euler ϕ function at a prime power. Theorem 2.5(a) in [ApostolNT] p. 28. (Contributed by Mario Carneiro, 24-Feb-2014.)

Assertion

Ref	Expression
phiprmpw	⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (ϕ‘(𝑃↑𝐾)) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · (𝑃 − 1)))

Proof of Theorem phiprmpw

Dummy variable 𝑥 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		prmnn 10967	. . . 4 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
2		nnnn0 8613	. . . 4 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ → 𝐾 ∈ ℕ0)
3		nnexpcl 9866	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → (𝑃↑𝐾) ∈ ℕ)
4	1, 2, 3	syl2an 283	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑𝐾) ∈ ℕ)
5		phival 11064	. . 3 ⊢ ((𝑃↑𝐾) ∈ ℕ → (ϕ‘(𝑃↑𝐾)) = (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}))
6	4, 5	syl 14	. 2 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (ϕ‘(𝑃↑𝐾)) = (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}))
7		nnm1nn0 8647	. . . . . 6 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ → (𝐾 − 1) ∈ ℕ0)
8		nnexpcl 9866	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ ∧ (𝐾 − 1) ∈ ℕ0) → (𝑃↑(𝐾 − 1)) ∈ ℕ)
9	1, 7, 8	syl2an 283	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑(𝐾 − 1)) ∈ ℕ)
10	9	nncnd 8371	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑(𝐾 − 1)) ∈ ℂ)
11	1	nncnd 8371	. . . . 5 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℂ)
12	11	adantr 270	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → 𝑃 ∈ ℂ)
13		ax-1cn 7382	. . . . 5 ⊢ 1 ∈ ℂ
14		subdi 7807	. . . . 5 ⊢ (((𝑃↑(𝐾 − 1)) ∈ ℂ ∧ 𝑃 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · (𝑃 − 1)) = (((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃) − ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 1)))
15	13, 14	mp3an3 1260	. . . 4 ⊢ (((𝑃↑(𝐾 − 1)) ∈ ℂ ∧ 𝑃 ∈ ℂ) → ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · (𝑃 − 1)) = (((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃) − ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 1)))
16	10, 12, 15	syl2anc 403	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · (𝑃 − 1)) = (((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃) − ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 1)))
17	10	mulid1d 7449	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 1) = (𝑃↑(𝐾 − 1)))
18	17	oveq2d 5629	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃) − ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 1)) = (((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃) − (𝑃↑(𝐾 − 1))))
19		phivalfi 11063	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃↑𝐾) ∈ ℕ → {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∈ Fin)
20	4, 19	syl 14	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∈ Fin)
21		1zzd 8710	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → 1 ∈ ℤ)
22		prmz 10968	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℤ)
23		zexpcl 9868	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℤ ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → (𝑃↑𝐾) ∈ ℤ)
24	22, 2, 23	syl2an 283	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑𝐾) ∈ ℤ)
25	21, 24	fzfigd 9766	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (1...(𝑃↑𝐾)) ∈ Fin)
26	22	ad2antrr 472	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → 𝑃 ∈ ℤ)
27		elfzelz 9372	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) → 𝑥 ∈ ℤ)
28	27	adantl 271	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → 𝑥 ∈ ℤ)
29		0zd 8695	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → 0 ∈ ℤ)
30	28, 29	zsubcld 8806	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → (𝑥 − 0) ∈ ℤ)
31		zdvdsdc 10692	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℤ ∧ (𝑥 − 0) ∈ ℤ) → DECID 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))
32	26, 30, 31	syl2anc 403	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → DECID 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))
33	32	ralrimiva 2442	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ∀𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))DECID 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))
34	25, 33	ssfirab 6593	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)} ∈ Fin)
35		inrab 3260	. . . . . . 7 ⊢ ({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∩ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)}) = {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∧ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))}
36		rpexp 11007	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑃 ∈ ℤ ∧ 𝑥 ∈ ℤ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (((𝑃↑𝐾) gcd 𝑥) = 1 ↔ (𝑃 gcd 𝑥) = 1))
37	22, 36	syl3an1 1205	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑥 ∈ ℤ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (((𝑃↑𝐾) gcd 𝑥) = 1 ↔ (𝑃 gcd 𝑥) = 1))
38	37	3expa 1141	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (((𝑃↑𝐾) gcd 𝑥) = 1 ↔ (𝑃 gcd 𝑥) = 1))
39	38	an32s 533	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (((𝑃↑𝐾) gcd 𝑥) = 1 ↔ (𝑃 gcd 𝑥) = 1))
40		simpr 108	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → 𝑥 ∈ ℤ)
41	24	adantr 270	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑃↑𝐾) ∈ ℤ)
42		gcdcom 10840	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑥 ∈ ℤ ∧ (𝑃↑𝐾) ∈ ℤ) → (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = ((𝑃↑𝐾) gcd 𝑥))
43	40, 41, 42	syl2anc 403	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = ((𝑃↑𝐾) gcd 𝑥))
44	43	eqeq1d 2093	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ↔ ((𝑃↑𝐾) gcd 𝑥) = 1))
45		coprm 10998	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (¬ 𝑃 ∥ 𝑥 ↔ (𝑃 gcd 𝑥) = 1))
46	45	adantlr 461	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (¬ 𝑃 ∥ 𝑥 ↔ (𝑃 gcd 𝑥) = 1))
47	39, 44, 46	3bitr4d 218	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ↔ ¬ 𝑃 ∥ 𝑥))
48		zcn 8688	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝑥 ∈ ℤ → 𝑥 ∈ ℂ)
49	48	adantl 271	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → 𝑥 ∈ ℂ)
50	49	subid1d 7726	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥 − 0) = 𝑥)
51	50	breq2d 3832	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑃 ∥ (𝑥 − 0) ↔ 𝑃 ∥ 𝑥))
52	51	notbid 625	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (¬ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0) ↔ ¬ 𝑃 ∥ 𝑥))
53	47, 52	bitr4d 189	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ↔ ¬ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
54	27, 53	sylan2 280	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ↔ ¬ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
55	54	biimpd 142	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 → ¬ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
56		imnan 657	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 → ¬ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)) ↔ ¬ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∧ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
57	55, 56	sylib 120	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → ¬ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∧ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
58	57	ralrimiva 2442	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ∀𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ¬ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∧ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
59		rabeq0 3301	. . . . . . . 8 ⊢ ({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∧ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))} = ∅ ↔ ∀𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ¬ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∧ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
60	58, 59	sylibr 132	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∧ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))} = ∅)
61	35, 60	syl5eq 2129	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∩ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)}) = ∅)
62		hashun 10109	. . . . . 6 ⊢ (({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∈ Fin ∧ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)} ∈ Fin ∧ ({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∩ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)}) = ∅) → (♯‘({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∪ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)})) = ((♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) + (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)})))
63	20, 34, 61, 62	syl3anc 1172	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (♯‘({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∪ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)})) = ((♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) + (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)})))
64	54	biimprd 156	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → (¬ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0) → (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1))
65		con1dc 789	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (DECID 𝑃 ∥ (𝑥 − 0) → ((¬ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0) → (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1) → (¬ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 → 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))))
66	32, 64, 65	sylc 61	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → (¬ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 → 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
67	24	adantr 270	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → (𝑃↑𝐾) ∈ ℤ)
68	28, 67	gcdcld 10835	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) ∈ ℕ0)
69	68	nn0zd 8799	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) ∈ ℤ)
70		1zzd 8710	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → 1 ∈ ℤ)
71		zdceq 8755	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) ∈ ℤ ∧ 1 ∈ ℤ) → DECID (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1)
72	69, 70, 71	syl2anc 403	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → DECID (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1)
73		dfordc 827	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (DECID (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 → (((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∨ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)) ↔ (¬ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 → 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))))
74	72, 73	syl 14	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → (((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∨ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)) ↔ (¬ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 → 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))))
75	66, 74	mpbird 165	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) ∧ 𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))) → ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∨ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
76	75	ralrimiva 2442	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ∀𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∨ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
77		rabid2 2539	. . . . . . . . 9 ⊢ ((1...(𝑃↑𝐾)) = {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∨ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))} ↔ ∀𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾))((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∨ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)))
78	76, 77	sylibr 132	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (1...(𝑃↑𝐾)) = {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∨ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))})
79		unrab 3259	. . . . . . . 8 ⊢ ({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∪ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)}) = {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ ((𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1 ∨ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0))}
80	78, 79	syl6reqr 2136	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∪ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)}) = (1...(𝑃↑𝐾)))
81	80	fveq2d 5272	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (♯‘({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∪ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)})) = (♯‘(1...(𝑃↑𝐾))))
82	4	nnnn0d 8659	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑𝐾) ∈ ℕ0)
83		hashfz1 10087	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃↑𝐾) ∈ ℕ0 → (♯‘(1...(𝑃↑𝐾))) = (𝑃↑𝐾))
84	82, 83	syl 14	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (♯‘(1...(𝑃↑𝐾))) = (𝑃↑𝐾))
85		expm1t 9881	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℂ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑𝐾) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃))
86	11, 85	sylan 277	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑𝐾) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃))
87	81, 84, 86	3eqtrd 2121	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (♯‘({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∪ {𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)})) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃))
88		hashcl 10085	. . . . . . . 8 ⊢ ({𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1} ∈ Fin → (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) ∈ ℕ0)
89	20, 88	syl 14	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) ∈ ℕ0)
90	89	nn0cnd 8661	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) ∈ ℂ)
91	1	adantr 270	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → 𝑃 ∈ ℕ)
92		nn0uz 8985	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ℕ0 = (ℤ≥‘0)
93		1m1e0 8426	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (1 − 1) = 0
94	93	fveq2i 5271	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (ℤ≥‘(1 − 1)) = (ℤ≥‘0)
95	92, 94	eqtr4i 2108	. . . . . . . . . 10 ⊢ ℕ0 = (ℤ≥‘(1 − 1))
96	82, 95	syl6eleq 2177	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑𝐾) ∈ (ℤ≥‘(1 − 1)))
97		0zd 8695	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → 0 ∈ ℤ)
98	91, 21, 96, 97	hashdvds 11072	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)}) = ((⌊‘(((𝑃↑𝐾) − 0) / 𝑃)) − (⌊‘(((1 − 1) − 0) / 𝑃))))
99	4	nncnd 8371	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑𝐾) ∈ ℂ)
100	99	subid1d 7726	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((𝑃↑𝐾) − 0) = (𝑃↑𝐾))
101	100	oveq1d 5628	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (((𝑃↑𝐾) − 0) / 𝑃) = ((𝑃↑𝐾) / 𝑃))
102	91	nnap0d 8402	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → 𝑃 # 0)
103		nnz 8702	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ → 𝐾 ∈ ℤ)
104	103	adantl 271	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → 𝐾 ∈ ℤ)
105	12, 102, 104	expm1apd 9992	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑(𝐾 − 1)) = ((𝑃↑𝐾) / 𝑃))
106	101, 105	eqtr4d 2120	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (((𝑃↑𝐾) − 0) / 𝑃) = (𝑃↑(𝐾 − 1)))
107	106	fveq2d 5272	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (⌊‘(((𝑃↑𝐾) − 0) / 𝑃)) = (⌊‘(𝑃↑(𝐾 − 1))))
108	9	nnzd 8800	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑃↑(𝐾 − 1)) ∈ ℤ)
109		flid 9619	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑃↑(𝐾 − 1)) ∈ ℤ → (⌊‘(𝑃↑(𝐾 − 1))) = (𝑃↑(𝐾 − 1)))
110	108, 109	syl 14	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (⌊‘(𝑃↑(𝐾 − 1))) = (𝑃↑(𝐾 − 1)))
111	107, 110	eqtrd 2117	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (⌊‘(((𝑃↑𝐾) − 0) / 𝑃)) = (𝑃↑(𝐾 − 1)))
112	93	oveq1i 5623	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((1 − 1) − 0) = (0 − 0)
113		0m0e0 8469	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (0 − 0) = 0
114	112, 113	eqtri 2105	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((1 − 1) − 0) = 0
115	114	oveq1i 5623	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((1 − 1) − 0) / 𝑃) = (0 / 𝑃)
116	12, 102	div0apd 8193	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (0 / 𝑃) = 0)
117	115, 116	syl5eq 2129	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (((1 − 1) − 0) / 𝑃) = 0)
118	117	fveq2d 5272	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (⌊‘(((1 − 1) − 0) / 𝑃)) = (⌊‘0))
119		0z 8694	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 0 ∈ ℤ
120		flid 9619	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (0 ∈ ℤ → (⌊‘0) = 0)
121	119, 120	ax-mp 7	. . . . . . . . . 10 ⊢ (⌊‘0) = 0
122	118, 121	syl6eq 2133	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (⌊‘(((1 − 1) − 0) / 𝑃)) = 0)
123	111, 122	oveq12d 5631	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((⌊‘(((𝑃↑𝐾) − 0) / 𝑃)) − (⌊‘(((1 − 1) − 0) / 𝑃))) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) − 0))
124	10	subid1d 7726	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((𝑃↑(𝐾 − 1)) − 0) = (𝑃↑(𝐾 − 1)))
125	98, 123, 124	3eqtrd 2121	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)}) = (𝑃↑(𝐾 − 1)))
126	125	oveq2d 5629	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) + (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)})) = ((♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) + (𝑃↑(𝐾 − 1))))
127	90, 10, 126	comraddd 7583	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) + (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ 𝑃 ∥ (𝑥 − 0)})) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) + (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1})))
128	63, 87, 127	3eqtr3rd 2126	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((𝑃↑(𝐾 − 1)) + (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1})) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃))
129	10, 12	mulcld 7452	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃) ∈ ℂ)
130	129, 10, 90	subaddd 7755	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → ((((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃) − (𝑃↑(𝐾 − 1))) = (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) ↔ ((𝑃↑(𝐾 − 1)) + (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1})) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃)))
131	128, 130	mpbird 165	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (((𝑃↑(𝐾 − 1)) · 𝑃) − (𝑃↑(𝐾 − 1))) = (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}))
132	16, 18, 131	3eqtrrd 2122	. 2 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (♯‘{𝑥 ∈ (1...(𝑃↑𝐾)) ∣ (𝑥 gcd (𝑃↑𝐾)) = 1}) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · (𝑃 − 1)))
133	6, 132	eqtrd 2117	1 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (ϕ‘(𝑃↑𝐾)) = ((𝑃↑(𝐾 − 1)) · (𝑃 − 1)))

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 102   ↔ wb 103   ∨ wo 662  DECID wdc 778   = wceq 1287   ∈ wcel 1436  ∀wral 2355  {crab 2359   ∪ cun 2986   ∩ cin 2987  ∅c0 3275   class class class wbr 3820  ‘cfv 4981  (class class class)co 5613  Fincfn 6409  ℂcc 7292  0cc0 7294  1c1 7295   + caddc 7297   · cmul 7299   − cmin 7597   / cdiv 8078  ℕcn 8357  ℕ₀cn0 8606  ℤcz 8683  ℤ_≥cuz 8951  ...cfz 9356  ⌊cfl 9603  ↑cexp 9852  ♯chash 10079   ∥ cdvds 10671   gcd cgcd 10813  ℙcprime 10964  ϕcphi 11061

This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-mp 7  ax-ia1 104  ax-ia2 105  ax-ia3 106  ax-in1 577  ax-in2 578  ax-io 663  ax-5 1379  ax-7 1380  ax-gen 1381  ax-ie1 1425  ax-ie2 1426  ax-8 1438  ax-10 1439  ax-11 1440  ax-i12 1441  ax-bndl 1442  ax-4 1443  ax-13 1447  ax-14 1448  ax-17 1462  ax-i9 1466  ax-ial 1470  ax-i5r 1471  ax-ext 2067  ax-coll 3929  ax-sep 3932  ax-nul 3940  ax-pow 3984  ax-pr 4010  ax-un 4234  ax-setind 4326  ax-iinf 4376  ax-cnex 7380  ax-resscn 7381  ax-1cn 7382  ax-1re 7383  ax-icn 7384  ax-addcl 7385  ax-addrcl 7386  ax-mulcl 7387  ax-mulrcl 7388  ax-addcom 7389  ax-mulcom 7390  ax-addass 7391  ax-mulass 7392  ax-distr 7393  ax-i2m1 7394  ax-0lt1 7395  ax-1rid 7396  ax-0id 7397  ax-rnegex 7398  ax-precex 7399  ax-cnre 7400  ax-pre-ltirr 7401  ax-pre-ltwlin 7402  ax-pre-lttrn 7403  ax-pre-apti 7404  ax-pre-ltadd 7405  ax-pre-mulgt0 7406  ax-pre-mulext 7407  ax-arch 7408  ax-caucvg 7409

This theorem depends on definitions:  df-bi 115  df-dc 779  df-3or 923  df-3an 924  df-tru 1290  df-fal 1293  df-nf 1393  df-sb 1690  df-eu 1948  df-mo 1949  df-clab 2072  df-cleq 2078  df-clel 2081  df-nfc 2214  df-ne 2252  df-nel 2347  df-ral 2360  df-rex 2361  df-reu 2362  df-rmo 2363  df-rab 2364  df-v 2617  df-sbc 2830  df-csb 2923  df-dif 2990  df-un 2992  df-in 2994  df-ss 3001  df-nul 3276  df-if 3380  df-pw 3417  df-sn 3437  df-pr 3438  df-op 3440  df-uni 3637  df-int 3672  df-iun 3715  df-br 3821  df-opab 3875  df-mpt 3876  df-tr 3912  df-id 4094  df-po 4097  df-iso 4098  df-iord 4167  df-on 4169  df-ilim 4170  df-suc 4172  df-iom 4379  df-xp 4417  df-rel 4418  df-cnv 4419  df-co 4420  df-dm 4421  df-rn 4422  df-res 4423  df-ima 4424  df-iota 4946  df-fun 4983  df-fn 4984  df-f 4985  df-f1 4986  df-fo 4987  df-f1o 4988  df-fv 4989  df-riota 5569  df-ov 5616  df-oprab 5617  df-mpt2 5618  df-1st 5868  df-2nd 5869  df-recs 6024  df-irdg 6089  df-frec 6110  df-1o 6135  df-2o 6136  df-oadd 6139  df-er 6244  df-en 6410  df-dom 6411  df-fin 6412  df-sup 6623  df-pnf 7468  df-mnf 7469  df-xr 7470  df-ltxr 7471  df-le 7472  df-sub 7599  df-neg 7600  df-reap 7993  df-ap 8000  df-div 8079  df-inn 8358  df-2 8416  df-3 8417  df-4 8418  df-n0 8607  df-z 8684  df-uz 8952  df-q 9037  df-rp 9067  df-fz 9357  df-fzo 9482  df-fl 9605  df-mod 9658  df-iseq 9780  df-iexp 9853  df-ihash 10080  df-cj 10171  df-re 10172  df-im 10173  df-rsqrt 10326  df-abs 10327  df-dvds 10672  df-gcd 10814  df-prm 10965  df-phi 11062

This theorem is referenced by:  phiprm  11074