MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  dchrhash Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem dchrhash 27628
Description: There are exactly ϕ(𝑁) Dirichlet characters modulo 𝑁. Part of Theorem 6.5.1 of [Shapiro] p. 230. (Contributed by Mario Carneiro, 28-Apr-2016.)
Hypotheses
Ref Expression
sumdchr.g 𝐺 = (DChr‘𝑁)
sumdchr.d 𝐷 = (Base‘𝐺)
Assertion
Ref Expression
dchrhash (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘𝐷) = (ϕ‘𝑁))

Proof of Theorem dchrhash
Dummy variables 𝑥 𝑎 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 eqid 2763 . . . . . 6 (ℤ/nℤ‘𝑁) = (ℤ/nℤ‘𝑁)
2 eqid 2763 . . . . . 6 (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
31, 2znfi 21895 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ Fin)
4 sumdchr.g . . . . . 6 𝐺 = (DChr‘𝑁)
5 sumdchr.d . . . . . 6 𝐷 = (Base‘𝐺)
64, 5dchrfi 27612 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → 𝐷 ∈ Fin)
7 simprr 785 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ 𝑥 ∈ 𝐷)) → 𝑥 ∈ 𝐷)
84, 1, 5, 2, 7dchrf 27599 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ 𝑥 ∈ 𝐷)) → 𝑥:(Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))⟶ℂ)
9 simprl 783 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ 𝑥 ∈ 𝐷)) → 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
108, 9ffvelcdmd 7109 . . . . 5 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ 𝑥 ∈ 𝐷)) → (𝑥‘𝑎) ∈ ℂ)
113, 6, 10fsumcom 15970 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))Σ𝑥 ∈ 𝐷 (𝑥‘𝑎) = Σ𝑥 ∈ 𝐷 Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))(𝑥‘𝑎))
12 eqid 2763 . . . . . . 7 (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
13 simpl 488 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → 𝑁 ∈ ℕ)
14 simpr 490 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
154, 5, 1, 12, 2, 13, 14sumdchr2 27627 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → Σ𝑥 ∈ 𝐷 (𝑥‘𝑎) = if(𝑎 = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)), (♯‘𝐷), 0))
16 velsn 4600 . . . . . . 7 (𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} ↔ 𝑎 = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
17 ifbi 4508 . . . . . . 7 ((𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} ↔ 𝑎 = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (♯‘𝐷), 0) = if(𝑎 = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)), (♯‘𝐷), 0))
1816, 17mp1i 14 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (♯‘𝐷), 0) = if(𝑎 = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)), (♯‘𝐷), 0))
1915, 18eqtr4d 2801 . . . . 5 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → Σ𝑥 ∈ 𝐷 (𝑥‘𝑎) = if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (♯‘𝐷), 0))
2019sumeq2dv 15898 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))Σ𝑥 ∈ 𝐷 (𝑥‘𝑎) = Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (♯‘𝐷), 0))
21 eqid 2763 . . . . . . 7 (0g‘𝐺) = (0g‘𝐺)
22 simpr 490 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑥 ∈ 𝐷) → 𝑥 ∈ 𝐷)
234, 1, 5, 21, 22, 2dchrsum 27626 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑥 ∈ 𝐷) → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))(𝑥‘𝑎) = if(𝑥 = (0g‘𝐺), (ϕ‘𝑁), 0))
24 velsn 4600 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)} ↔ 𝑥 = (0g‘𝐺))
25 ifbi 4508 . . . . . . 7 ((𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)} ↔ 𝑥 = (0g‘𝐺)) → if(𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0) = if(𝑥 = (0g‘𝐺), (ϕ‘𝑁), 0))
2624, 25mp1i 14 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑥 ∈ 𝐷) → if(𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0) = if(𝑥 = (0g‘𝐺), (ϕ‘𝑁), 0))
2723, 26eqtr4d 2801 . . . . 5 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑥 ∈ 𝐷) → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))(𝑥‘𝑎) = if(𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
2827sumeq2dv 15898 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑥 ∈ 𝐷 Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))(𝑥‘𝑎) = Σ𝑥 ∈ 𝐷 if(𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
2911, 20, 283eqtr3d 2806 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (♯‘𝐷), 0) = Σ𝑥 ∈ 𝐷 if(𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
30 nnnn0 12640 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ0)
311zncrng 21880 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ0 → (ℤ/nℤ‘𝑁) ∈ CRing)
32 crngring 20502 . . . . . 6 ((ℤ/nℤ‘𝑁) ∈ CRing → (ℤ/nℤ‘𝑁) ∈ Ring)
332, 12ringidcl 20524 . . . . . 6 ((ℤ/nℤ‘𝑁) ∈ Ring → (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
3430, 31, 32, 334syl 20 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
3534snssd 4747 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} ⊆ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
36 hashcl 14527 . . . . . 6 (𝐷 ∈ Fin → (♯‘𝐷) ∈ ℕ0)
37 nn0cn 12643 . . . . . 6 ((♯‘𝐷) ∈ ℕ0 → (♯‘𝐷) ∈ ℂ)
386, 36, 373syl 19 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘𝐷) ∈ ℂ)
3938ralrimivw 3162 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ∀𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (♯‘𝐷) ∈ ℂ)
403olcd 888 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ((Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ⊆ (ℤ≥‘0) ∨ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ Fin))
41 sumss2 15921 . . . 4 ((({(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} ⊆ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ ∀𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (♯‘𝐷) ∈ ℂ) ∧ ((Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ⊆ (ℤ≥‘0) ∨ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ Fin)) → Σ𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (♯‘𝐷) = Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (♯‘𝐷), 0))
4235, 39, 40, 41syl21anc 851 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (♯‘𝐷) = Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (♯‘𝐷), 0))
434dchrabl 27611 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 𝐺 ∈ Abel)
44 ablgrp 20029 . . . . . 6 (𝐺 ∈ Abel → 𝐺 ∈ Grp)
455, 21grpidcl 19205 . . . . . 6 (𝐺 ∈ Grp → (0g‘𝐺) ∈ 𝐷)
4643, 44, 453syl 19 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (0g‘𝐺) ∈ 𝐷)
4746snssd 4747 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → {(0g‘𝐺)} ⊆ 𝐷)
48 phicl 16975 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (ϕ‘𝑁) ∈ ℕ)
4948nncnd 12378 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (ϕ‘𝑁) ∈ ℂ)
5049ralrimivw 3162 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ∀𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)} (ϕ‘𝑁) ∈ ℂ)
516olcd 888 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (𝐷 ⊆ (ℤ≥‘0) ∨ 𝐷 ∈ Fin))
52 sumss2 15921 . . . 4 ((({(0g‘𝐺)} ⊆ 𝐷 ∧ ∀𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)} (ϕ‘𝑁) ∈ ℂ) ∧ (𝐷 ⊆ (ℤ≥‘0) ∨ 𝐷 ∈ Fin)) → Σ𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)} (ϕ‘𝑁) = Σ𝑥 ∈ 𝐷 if(𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
5347, 50, 51, 52syl21anc 851 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)} (ϕ‘𝑁) = Σ𝑥 ∈ 𝐷 if(𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
5429, 42, 533eqtr4d 2808 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (♯‘𝐷) = Σ𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)} (ϕ‘𝑁))
55 eqidd 2764 . . . 4 (𝑎 = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) → (♯‘𝐷) = (♯‘𝐷))
5655sumsn 15941 . . 3 (((1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ (♯‘𝐷) ∈ ℂ) → Σ𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (♯‘𝐷) = (♯‘𝐷))
5734, 38, 56syl2anc 596 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (♯‘𝐷) = (♯‘𝐷))
58 eqidd 2764 . . . 4 (𝑥 = (0g‘𝐺) → (ϕ‘𝑁) = (ϕ‘𝑁))
5958sumsn 15941 . . 3 (((0g‘𝐺) ∈ 𝐷 ∧ (ϕ‘𝑁) ∈ ℂ) → Σ𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)} (ϕ‘𝑁) = (ϕ‘𝑁))
6046, 49, 59syl2anc 596 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑥 ∈ {(0g‘𝐺)} (ϕ‘𝑁) = (ϕ‘𝑁))
6154, 57, 603eqtr3d 2806 1 (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘𝐷) = (ϕ‘𝑁))
Colors of variables:    wff setvar class
This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   ∨ wo 861   = wceq 1570   ∈ wcel 2147  ∀wral 3080   ⊆ wss 3900  ifcif 4485  {csn 4588  ‘cfv 6558  Fincfn 9001  ℂcc 11225  0cc0 11227  ℕcn 12362  ℕ0cn0 12633  ℤ≥cuz 12992  ♯chash 14501  Σcsu 15882  ϕcphi 16970  Basecbs 17416  0gc0g 17639  Grpcgrp 19173  Abelcabl 20025  1rcur 20437  Ringcrg 20489  CRingccrg 20490  ℤ/nℤczn 21838  DChrcdchr 27589
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 5235  ax-sep 5252  ax-nul 5263  ax-pow 5331  ax-pr 5395  ax-un 7775  ax-inf2 9669  ax-cnex 11283  ax-resscn 11284  ax-1cn 11285  ax-icn 11286  ax-addcl 11287  ax-addrcl 11288  ax-mulcl 11289  ax-mulrcl 11290  ax-mulcom 11291  ax-addass 11292  ax-mulass 11293  ax-distr 11294  ax-i2m1 11295  ax-1ne0 11296  ax-1rid 11297  ax-rnegex 11298  ax-rrecex 11299  ax-cnre 11300  ax-pre-lttri 11301  ax-pre-lttrn 11302  ax-pre-ltadd 11303  ax-pre-mulgt0 11304  ax-pre-sup 11305  ax-addf 11306  ax-mulf 11307
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-tp 4593  df-op 4839  df-uni 4871  df-int 4911  df-iun 4956  df-iin 4957  df-disj 5074  df-br 5107  df-opab 5171  df-mpt 5190  df-tr 5216  df-id 5550  df-eprel 5555  df-po 5563  df-so 5564  df-fr 5608  df-se 5609  df-we 5610  df-xp 5661  df-rel 5662  df-cnv 5663  df-co 5664  df-dm 5665  df-rn 5666  df-res 5667  df-ima 5668  df-pred 6322  df-ord 6383  df-on 6384  df-lim 6385  df-suc 6386  df-iota 6512  df-fun 6560  df-fn 6561  df-f 6562  df-f1 6563  df-fo 6564  df-f1o 6565  df-fv 6566  df-isom 6567  df-riota 7400  df-ov 7446  df-oprab 7447  df-mpo 7448  df-of 7717  df-rpss 7763  df-om 7902  df-1st 8025  df-2nd 8026  df-supp 8205  df-tpos 8271  df-frecs 8327  df-wrecs 8358  df-recs 8407  df-rdg 8446  df-1o 8504  df-2o 8505  df-oadd 8508  df-omul 8509  df-er 8745  df-ec 8747  df-qs 8751  df-map 8877  df-pm 8878  df-ixp 8954  df-en 9002  df-dom 9003  df-sdom 9004  df-fin 9005  df-fsupp 9382  df-fi 9430  df-sup 9461  df-inf 9462  df-oi 9531  df-dju 10009  df-card 10047  df-acn 10050  df-pnf 11372  df-mnf 11373  df-xr 11374  df-ltxr 11375  df-le 11376  df-sub 11570  df-neg 11571  df-div 12001  df-nn 12363  df-2 12432  df-3 12433  df-4 12434  df-5 12435  df-6 12436  df-7 12437  df-8 12438  df-9 12439  df-n0 12634  df-xnn0 12707  df-z 12721  df-dec 12842  df-uz 12993  df-q 13103  df-rp 13148  df-xneg 13268  df-xadd 13269  df-xmul 13270  df-ioo 13507  df-ioc 13508  df-ico 13509  df-icc 13510  df-fz 13667  df-fzo 13816  df-fl 13959  df-mod 14037  df-seq 14172  df-exp 14232  df-fac 14445  df-bc 14474  df-hash 14502  df-word 14686  df-concat 14743  df-s1 14770  df-shft 15249  df-cj 15295  df-re 15296  df-im 15297  df-sqrt 15431  df-abs 15432  df-limsup 15667  df-clim 15684  df-rlim 15685  df-sum 15883  df-ef 16262  df-sin 16264  df-cos 16265  df-pi 16267  df-dvds 16452  df-gcd 16694  df-prm 16876  df-phi 16972  df-pc 17044  df-struct 17354  df-sets 17371  df-slot 17389  df-ndx 17401  df-base 17417  df-ress 17438  df-plusg 17470  df-mulr 17471  df-starv 17472  df-sca 17473  df-vsca 17474  df-ip 17475  df-tset 17476  df-ple 17477  df-ds 17479  df-unif 17480  df-hom 17481  df-cco 17482  df-rest 17622  df-topn 17623  df-0g 17641  df-gsum 17642  df-topgen 17643  df-pt 17644  df-prds 17647  df-xrs 17703  df-qtop 17708  df-imas 17709  df-qus 17710  df-xps 17711  df-mre 17785  df-mrc 17786  df-acs 17788  df-mgm 18845  df-sgrp 18937  df-mnd 18953  df-mhm 19007  df-submnd 19008  df-grp 19176  df-minusg 19177  df-sbg 19178  df-mulg 19307  df-subg 19362  df-nsg 19363  df-eqg 19364  df-ghm 19457  df-gim 19502  df-ga 19534  df-cntz 19561  df-oppg 19590  df-od 19772  df-gex 19773  df-pgp 19774  df-lsm 19880  df-pj1 19881  df-cmn 20026  df-abl 20027  df-cyg 20122  df-dprd 20241  df-dpj 20242  df-mgp 20391  df-rng 20405  df-ur 20438  df-ring 20491  df-cring 20492  df-oppr 20597  df-dvdsr 20617  df-unit 20618  df-invr 20648  df-rhm 20732  df-subrng 20828  df-subrg 20852  df-lmod 21167  df-lss 21237  df-lsp 21277  df-sra 21478  df-rgmod 21479  df-lidl 21516  df-rsp 21517  df-2idl 21573  df-psmet 21700  df-xmet 21701  df-met 21702  df-bl 21703  df-mopn 21704  df-fbas 21705  df-fg 21706  df-cnfld 21709  df-zring 21783  df-zrh 21839  df-zn 21842  df-top 23242  df-topon 23259  df-topsp 23281  df-bases 23294  df-cld 23367  df-ntr 23368  df-cls 23369  df-nei 23446  df-lp 23484  df-perf 23485  df-cn 23575  df-cnp 23576  df-haus 23663  df-tx 23911  df-hmeo 24104  df-fil 24195  df-fm 24287  df-flim 24288  df-flf 24289  df-xms 24669  df-ms 24670  df-tms 24671  df-cncf 25229  df-0p 26021  df-limc 26216  df-dv 26217  df-ply 26536  df-idp 26537  df-coe 26538  df-dgr 26539  df-quot 26642  df-log 26914  df-cxp 26915  df-dchr 27590
This theorem is used by:  sumdchr  27629
  Copyright terms: Public domain W3C validator