Theorem arisum2 16039

Description: Arithmetic series sum of the first 𝑁 nonnegative integers. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Apr-2015.) (Proof shortened by AV, 2-Aug-2021.) (Proof shortened by Timothy J. O'Malley, 9-Oct-2026.)

Assertion

Ref	Expression
arisum2	⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))

Distinct variable group:   𝑘,𝑁

Proof of Theorem arisum2

Step	Hyp	Ref	Expression
1		elnn0 12615	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 ↔ (𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0))
2		nnm1nn0 12654	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ ℕ0)
3		nn0uz 13010	. . . . . 6 ⊢ ℕ0 = (ℤ≥‘0)
4	2, 3	eleqtrdi 2870	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ (ℤ≥‘0))
5		elfznn0 13761	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ0)
6	5	adantl 487	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℕ0)
7	6	nn0cnd 12676	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℂ)
8		id 23	. . . . 5 ⊢ (𝑘 = 0 → 𝑘 = 0)
9	4, 7, 8	fsum1p 15928	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘))
10		1e0p1 12868	. . . . . . . 8 ⊢ 1 = (0 + 1)
11	10	oveq1i 7434	. . . . . . 7 ⊢ (1...(𝑁 − 1)) = ((0 + 1)...(𝑁 − 1))
12	11	sumeq1i 15873	. . . . . 6 ⊢ Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘
13	12	oveq2i 7435	. . . . 5 ⊢ (0 + Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘) = (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘)
14		fzfid 14123	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1...(𝑁 − 1)) ∈ Fin)
15		elfznn 13694	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ)
16	15	adantl 487	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℕ)
17	16	nncnd 12358	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℂ)
18	14, 17	fsumcl 15908	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 ∈ ℂ)
19	18	addlidd 11518	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0 + Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘) = Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘)
20	13, 19	eqtr3id 2809	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘) = Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘)
21		arisum 16038	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 − 1) ∈ ℕ0 → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = ((((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) / 2))
22	2, 21	syl 18	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = ((((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) / 2))
23		nncn 12350	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℂ)
24	23	sqcld 14294	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁↑2) ∈ ℂ)
25	24, 23	subcld 11676	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁↑2) − 𝑁) ∈ ℂ)
26	2	nn0cnd 12676	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ ℂ)
27	23	2timesd 12596	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) = (𝑁 + 𝑁))
28	27	oveq2d 7440	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) = ((𝑁↑2) − (𝑁 + 𝑁)))
29	24, 23, 23	subsub4d 11707	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁) = ((𝑁↑2) − (𝑁 + 𝑁)))
30	28, 29	eqtr4d 2798	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) = (((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁))
31	30	oveq1d 7439	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) + 1) = ((((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁) + 1))
32		binom2sub1 14372	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℂ → ((𝑁 − 1)↑2) = (((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) + 1))
33	23, 32	syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 − 1)↑2) = (((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) + 1))
34		1cnd 11309	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ)
35	25, 23, 34	subsubd 11704	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁↑2) − 𝑁) − (𝑁 − 1)) = ((((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁) + 1))
36	31, 33, 35	3eqtr4d 2805	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 − 1)↑2) = (((𝑁↑2) − 𝑁) − (𝑁 − 1)))
37	25, 26, 36	mvrrsubd 11736	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) = ((𝑁↑2) − 𝑁))
38	37	oveq1d 7439	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) / 2) = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
39	22, 38	eqtrd 2795	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
40	9, 20, 39	3eqtrd 2799	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
41		oveq1 7431	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 = 0 → (𝑁 − 1) = (0 − 1))
42	41	oveq2d 7440	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 = 0 → (0...(𝑁 − 1)) = (0...(0 − 1)))
43		fz00m1 13686	. . . . . . 7 ⊢ (0...(0 − 1)) = ∅
44	42, 43	eqtrdi 2811	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 = 0 → (0...(𝑁 − 1)) = ∅)
45	44	sumeq1d 15876	. . . . 5 ⊢ (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = Σ𝑘 ∈ ∅ 𝑘)
46		sum0 15896	. . . . 5 ⊢ Σ𝑘 ∈ ∅ 𝑘 = 0
47	45, 46	eqtrdi 2811	. . . 4 ⊢ (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = 0)
48		sq0i 14343	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 = 0 → (𝑁↑2) = 0)
49		id 23	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 = 0 → 𝑁 = 0)
50	48, 49	oveq12d 7442	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 = 0 → ((𝑁↑2) − 𝑁) = (0 − 0))
51		0m0e0 12468	. . . . . . 7 ⊢ (0 − 0) = 0
52	50, 51	eqtrdi 2811	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 = 0 → ((𝑁↑2) − 𝑁) = 0)
53	52	oveq1d 7439	. . . . 5 ⊢ (𝑁 = 0 → (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2) = (0 / 2))
54		2cn 12425	. . . . . 6 ⊢ 2 ∈ ℂ
55		2ne0 12456	. . . . . 6 ⊢ 2 ≠ 0
56	54, 55	div0i 12058	. . . . 5 ⊢ (0 / 2) = 0
57	53, 56	eqtrdi 2811	. . . 4 ⊢ (𝑁 = 0 → (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2) = 0)
58	47, 57	eqtr4d 2798	. . 3 ⊢ (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
59	40, 58	jaoi 871	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0) → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
60	1, 59	sylbi 220	1 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   ∨ wo 861   = wceq 1569   ∈ wcel 2144  ∅c0 4277  ‘cfv 6543  (class class class)co 7424  ℂcc 11205  0cc0 11207  1c1 11208   + caddc 11210   · cmul 11212   − cmin 11548   / cdiv 11980  ℕcn 12342  2c2 12404  ℕ₀cn0 12613  ℤ_≥cuz 12972  ...cfz 13646  ↑cexp 14211  Σcsu 15862

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-rep 5231  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5327  ax-pr 5391  ax-un 7755  ax-inf2 9649  ax-cnex 11263  ax-resscn 11264  ax-1cn 11265  ax-icn 11266  ax-addcl 11267  ax-addrcl 11268  ax-mulcl 11269  ax-mulrcl 11270  ax-mulcom 11271  ax-addass 11272  ax-mulass 11273  ax-distr 11274  ax-i2m1 11275  ax-1ne0 11276  ax-1rid 11277  ax-rnegex 11278  ax-rrecex 11279  ax-cnre 11280  ax-pre-lttri 11281  ax-pre-lttrn 11282  ax-pre-ltadd 11283  ax-pre-mulgt0 11284  ax-pre-sup 11285

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3365  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3739  df-csb 3848  df-ss 3897  df-pss 4013  df-dif 4046  df-in 4090  df-un 4150  df-nul 4278  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4585  df-pr 4587  df-op 4835  df-uni 4867  df-int 4907  df-iun 4952  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-tr 5212  df-id 5546  df-eprel 5551  df-po 5559  df-so 5560  df-fr 5604  df-se 5605  df-we 5606  df-xp 5657  df-rel 5658  df-cnv 5659  df-co 5660  df-dm 5661  df-rn 5662  df-res 5663  df-ima 5664  df-pred 6307  df-ord 6368  df-on 6369  df-lim 6370  df-suc 6371  df-iota 6497  df-fun 6545  df-fn 6546  df-f 6547  df-f1 6548  df-fo 6549  df-f1o 6550  df-fv 6551  df-isom 6552  df-riota 7381  df-ov 7427  df-oprab 7428  df-mpo 7429  df-om 7882  df-1st 8005  df-2nd 8006  df-frecs 8307  df-wrecs 8338  df-recs 8387  df-rdg 8426  df-1o 8484  df-er 8725  df-en 8982  df-dom 8983  df-sdom 8984  df-fin 8985  df-sup 9441  df-oi 9511  df-card 10027  df-pnf 11352  df-mnf 11353  df-xr 11354  df-ltxr 11355  df-le 11356  df-sub 11550  df-neg 11551  df-div 11981  df-nn 12343  df-2 12412  df-3 12413  df-n0 12614  df-z 12701  df-uz 12973  df-rp 13128  df-fz 13647  df-fzo 13796  df-seq 14152  df-exp 14212  df-fac 14425  df-bc 14454  df-hash 14482  df-cj 15275  df-re 15276  df-im 15277  df-sqrt 15411  df-abs 15412  df-clim 15664  df-sum 15863

This theorem is used by:  birthdaylem3  27290