Theorem arisum2 16074

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 12648	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 ↔ (𝑁 ∈ ℕ ∨ 𝑁 = 0))
2		nnm1nn0 12687	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ ℕ0)
3		nn0uz 13043	. . . . . 6 ⊢ ℕ0 = (ℤ≥‘0)
4	2, 3	eleqtrdi 2874	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ (ℤ≥‘0))
5		elfznn0 13794	. . . . . . 7 ⊢ (𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ0)
6	5	adantl 487	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℕ0)
7	6	nn0cnd 12709	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℂ)
8		id 23	. . . . 5 ⊢ (𝑘 = 0 → 𝑘 = 0)
9	4, 7, 8	fsum1p 15963	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘))
10		1e0p1 12901	. . . . . . . 8 ⊢ 1 = (0 + 1)
11	10	oveq1i 7461	. . . . . . 7 ⊢ (1...(𝑁 − 1)) = ((0 + 1)...(𝑁 − 1))
12	11	sumeq1i 15908	. . . . . 6 ⊢ Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘
13	12	oveq2i 7462	. . . . 5 ⊢ (0 + Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘) = (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘)
14		fzfid 14156	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (1...(𝑁 − 1)) ∈ Fin)
15		elfznn 13727	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ)
16	15	adantl 487	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℕ)
17	16	nncnd 12391	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))) → 𝑘 ∈ ℂ)
18	14, 17	fsumcl 15943	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 ∈ ℂ)
19	18	addlidd 11550	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0 + Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘) = Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘)
20	13, 19	eqtr3id 2812	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0 + Σ𝑘 ∈ ((0 + 1)...(𝑁 − 1))𝑘) = Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘)
21		arisum 16073	. . . . . 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 12383	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℂ)
24	23	sqcld 14327	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁↑2) ∈ ℂ)
25	24, 23	subcld 11708	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁↑2) − 𝑁) ∈ ℂ)
26	2	nn0cnd 12709	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ ℂ)
27	23	2timesd 12629	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) = (𝑁 + 𝑁))
28	27	oveq2d 7467	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) = ((𝑁↑2) − (𝑁 + 𝑁)))
29	24, 23, 23	subsub4d 11739	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁) = ((𝑁↑2) − (𝑁 + 𝑁)))
30	28, 29	eqtr4d 2801	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) = (((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁))
31	30	oveq1d 7466	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁↑2) − (2 · 𝑁)) + 1) = ((((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁) + 1))
32		binom2sub1 14406	. . . . . . . . 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 11341	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ)
35	25, 23, 34	subsubd 11736	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁↑2) − 𝑁) − (𝑁 − 1)) = ((((𝑁↑2) − 𝑁) − 𝑁) + 1))
36	31, 33, 35	3eqtr4d 2808	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑁 − 1)↑2) = (((𝑁↑2) − 𝑁) − (𝑁 − 1)))
37	25, 26, 36	mvrrsubd 11768	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) = ((𝑁↑2) − 𝑁))
38	37	oveq1d 7466	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ((((𝑁 − 1)↑2) + (𝑁 − 1)) / 2) = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
39	22, 38	eqtrd 2798	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (1...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
40	9, 20, 39	3eqtrd 2802	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2))
41		oveq1 7458	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 = 0 → (𝑁 − 1) = (0 − 1))
42	41	oveq2d 7467	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 = 0 → (0...(𝑁 − 1)) = (0...(0 − 1)))
43		fz00m1 13719	. . . . . . 7 ⊢ (0...(0 − 1)) = ∅
44	42, 43	eqtrdi 2814	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 = 0 → (0...(𝑁 − 1)) = ∅)
45	44	sumeq1d 15911	. . . . 5 ⊢ (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = Σ𝑘 ∈ ∅ 𝑘)
46		sum0 15931	. . . . 5 ⊢ Σ𝑘 ∈ ∅ 𝑘 = 0
47	45, 46	eqtrdi 2814	. . . 4 ⊢ (𝑁 = 0 → Σ𝑘 ∈ (0...(𝑁 − 1))𝑘 = 0)
48		sq0i 14376	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 = 0 → (𝑁↑2) = 0)
49		id 23	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 = 0 → 𝑁 = 0)
50	48, 49	oveq12d 7469	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 = 0 → ((𝑁↑2) − 𝑁) = (0 − 0))
51		0m0e0 12501	. . . . . . 7 ⊢ (0 − 0) = 0
52	50, 51	eqtrdi 2814	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 = 0 → ((𝑁↑2) − 𝑁) = 0)
53	52	oveq1d 7466	. . . . 5 ⊢ (𝑁 = 0 → (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2) = (0 / 2))
54		2cn 12458	. . . . . 6 ⊢ 2 ∈ ℂ
55		2ne0 12489	. . . . . 6 ⊢ 2 ≠ 0
56	54, 55	div0i 12091	. . . . 5 ⊢ (0 / 2) = 0
57	53, 56	eqtrdi 2814	. . . 4 ⊢ (𝑁 = 0 → (((𝑁↑2) − 𝑁) / 2) = 0)
58	47, 57	eqtr4d 2801	. . 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 1570   ∈ wcel 2147  ∅c0 4281  ‘cfv 6566  (class class class)co 7451  ℂcc 11237  0cc0 11239  1c1 11240   + caddc 11242   · cmul 11244   − cmin 11580   / cdiv 12013  ℕcn 12375  2c2 12437  ℕ₀cn0 12646  ℤ_≥cuz 13005  ...cfz 13679  ↑cexp 14244  Σcsu 15897

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1945  ax-6 2002  ax-7 2043  ax-8 2149  ax-9 2157  ax-10 2180  ax-11 2197  ax-12 2216  ax-ext 2735  ax-rep 5238  ax-sep 5255  ax-nul 5266  ax-pow 5334  ax-pr 5398  ax-un 7783  ax-inf2 9679  ax-cnex 11295  ax-resscn 11296  ax-1cn 11297  ax-icn 11298  ax-addcl 11299  ax-addrcl 11300  ax-mulcl 11301  ax-mulrcl 11302  ax-mulcom 11303  ax-addass 11304  ax-mulass 11305  ax-distr 11306  ax-i2m1 11307  ax-1ne0 11308  ax-1rid 11309  ax-rnegex 11310  ax-rrecex 11311  ax-cnre 11312  ax-pre-lttri 11313  ax-pre-lttrn 11314  ax-pre-ltadd 11315  ax-pre-mulgt0 11316  ax-pre-sup 11317

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2102  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2839  df-nfc 2913  df-ne 2960  df-nel 3066  df-ral 3081  df-rex 3091  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3456  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-ss 3901  df-pss 4017  df-dif 4050  df-in 4094  df-un 4154  df-nul 4282  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4589  df-pr 4591  df-op 4841  df-uni 4873  df-int 4913  df-iun 4958  df-br 5109  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-tr 5219  df-id 5553  df-eprel 5558  df-po 5566  df-so 5567  df-fr 5611  df-se 5612  df-we 5613  df-xp 5664  df-rel 5665  df-cnv 5666  df-co 5667  df-dm 5668  df-rn 5669  df-res 5670  df-ima 5671  df-pred 6330  df-ord 6391  df-on 6392  df-lim 6393  df-suc 6394  df-iota 6520  df-fun 6568  df-fn 6569  df-f 6570  df-f1 6571  df-fo 6572  df-f1o 6573  df-fv 6574  df-isom 6575  df-riota 7408  df-ov 7454  df-oprab 7455  df-mpo 7456  df-om 7912  df-1st 8035  df-2nd 8036  df-frecs 8337  df-wrecs 8368  df-recs 8417  df-rdg 8456  df-1o 8514  df-er 8755  df-en 9012  df-dom 9013  df-sdom 9014  df-fin 9015  df-sup 9471  df-oi 9541  df-card 10057  df-pnf 11384  df-mnf 11385  df-xr 11386  df-ltxr 11387  df-le 11388  df-sub 11582  df-neg 11583  df-div 12014  df-nn 12376  df-2 12445  df-3 12446  df-n0 12647  df-z 12734  df-uz 13006  df-rp 13161  df-fz 13680  df-fzo 13829  df-seq 14185  df-exp 14245  df-fac 14459  df-bc 14488  df-hash 14516  df-cj 15309  df-re 15310  df-im 15311  df-sqrt 15445  df-abs 15446  df-clim 15699  df-sum 15898

This theorem is used by:  birthdaylem3  27338