Theorem dchrsum 27241

Description: An orthogonality relation for Dirichlet characters: the sum of all the values of a Dirichlet character 𝑋 is 0 if 𝑋 is non-principal and ϕ(𝑛) otherwise. Part of Theorem 6.5.1 of [Shapiro] p. 230. (Contributed by Mario Carneiro, 28-Apr-2016.)

Hypotheses

Ref	Expression
dchrsum.g	⊢ 𝐺 = (DChr‘𝑁)
dchrsum.z	⊢ 𝑍 = (ℤ/nℤ‘𝑁)
dchrsum.d	⊢ 𝐷 = (Base‘𝐺)
dchrsum.1	⊢ 1 = (0g‘𝐺)
dchrsum.x	⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ 𝐷)
dchrsum.b	⊢ 𝐵 = (Base‘𝑍)

Assertion

Ref	Expression
dchrsum	⊢ (𝜑 → Σ𝑎 ∈ 𝐵 (𝑋‘𝑎) = if(𝑋 = 1 , (ϕ‘𝑁), 0))

Distinct variable groups:   1 ,𝑎   𝐵,𝑎   𝜑,𝑎   𝑋,𝑎   𝑍,𝑎

Allowed substitution hints:   𝐷(𝑎)   𝐺(𝑎)   𝑁(𝑎)

Proof of Theorem dchrsum

Step	Hyp	Ref	Expression
1		dchrsum.b	. . . . 5 ⊢ 𝐵 = (Base‘𝑍)
2		eqid 2737	. . . . 5 ⊢ (Unit‘𝑍) = (Unit‘𝑍)
3	1, 2	unitss 20317	. . . 4 ⊢ (Unit‘𝑍) ⊆ 𝐵
4	3	a1i 11	. . 3 ⊢ (𝜑 → (Unit‘𝑍) ⊆ 𝐵)
5		dchrsum.g	. . . . 5 ⊢ 𝐺 = (DChr‘𝑁)
6		dchrsum.z	. . . . 5 ⊢ 𝑍 = (ℤ/nℤ‘𝑁)
7		dchrsum.d	. . . . 5 ⊢ 𝐷 = (Base‘𝐺)
8		dchrsum.x	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ 𝐷)
9	5, 6, 7, 1, 8	dchrf 27214	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑋:𝐵⟶ℂ)
10	3	sseli 3930	. . . 4 ⊢ (𝑎 ∈ (Unit‘𝑍) → 𝑎 ∈ 𝐵)
11		ffvelcdm 7028	. . . 4 ⊢ ((𝑋:𝐵⟶ℂ ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → (𝑋‘𝑎) ∈ ℂ)
12	9, 10, 11	syl2an 597	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ (Unit‘𝑍)) → (𝑋‘𝑎) ∈ ℂ)
13		eldif 3912	. . . 4 ⊢ (𝑎 ∈ (𝐵 ∖ (Unit‘𝑍)) ↔ (𝑎 ∈ 𝐵 ∧ ¬ 𝑎 ∈ (Unit‘𝑍)))
14	8	adantr 480	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → 𝑋 ∈ 𝐷)
15		simpr 484	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → 𝑎 ∈ 𝐵)
16	5, 6, 7, 1, 2, 14, 15	dchrn0 27222	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → ((𝑋‘𝑎) ≠ 0 ↔ 𝑎 ∈ (Unit‘𝑍)))
17	16	biimpd 229	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → ((𝑋‘𝑎) ≠ 0 → 𝑎 ∈ (Unit‘𝑍)))
18	17	necon1bd 2951	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → (¬ 𝑎 ∈ (Unit‘𝑍) → (𝑋‘𝑎) = 0))
19	18	impr 454	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑎 ∈ 𝐵 ∧ ¬ 𝑎 ∈ (Unit‘𝑍))) → (𝑋‘𝑎) = 0)
20	13, 19	sylan2b 595	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ (𝐵 ∖ (Unit‘𝑍))) → (𝑋‘𝑎) = 0)
21	5, 7	dchrrcl 27212	. . . 4 ⊢ (𝑋 ∈ 𝐷 → 𝑁 ∈ ℕ)
22	6, 1	znfi 21519	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝐵 ∈ Fin)
23	8, 21, 22	3syl 18	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ Fin)
24	4, 12, 20, 23	fsumss 15653	. 2 ⊢ (𝜑 → Σ𝑎 ∈ (Unit‘𝑍)(𝑋‘𝑎) = Σ𝑎 ∈ 𝐵 (𝑋‘𝑎))
25		dchrsum.1	. . 3 ⊢ 1 = (0g‘𝐺)
26	5, 6, 7, 25, 8, 2	dchrsum2 27240	. 2 ⊢ (𝜑 → Σ𝑎 ∈ (Unit‘𝑍)(𝑋‘𝑎) = if(𝑋 = 1 , (ϕ‘𝑁), 0))
27	24, 26	eqtr3d 2774	1 ⊢ (𝜑 → Σ𝑎 ∈ 𝐵 (𝑋‘𝑎) = if(𝑋 = 1 , (ϕ‘𝑁), 0))

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 395   = wceq 1542   ∈ wcel 2114   ≠ wne 2933   ∖ cdif 3899   ⊆ wss 3902  ifcif 4480  ⟶wf 6489  ‘cfv 6493  Fincfn 8888  ℂcc 11029  0cc0 11031  ℕcn 12150  Σcsu 15614  ϕcphi 16696  Basecbs 17141  0_gc0g 17364  Unitcui 20296  ℤ/nℤczn 21462  DChrcdchr 27204

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1912  ax-6 1969  ax-7 2010  ax-8 2116  ax-9 2124  ax-10 2147  ax-11 2163  ax-12 2185  ax-ext 2709  ax-rep 5225  ax-sep 5242  ax-nul 5252  ax-pow 5311  ax-pr 5378  ax-un 7683  ax-inf2 9555  ax-cnex 11087  ax-resscn 11088  ax-1cn 11089  ax-icn 11090  ax-addcl 11091  ax-addrcl 11092  ax-mulcl 11093  ax-mulrcl 11094  ax-mulcom 11095  ax-addass 11096  ax-mulass 11097  ax-distr 11098  ax-i2m1 11099  ax-1ne0 11100  ax-1rid 11101  ax-rnegex 11102  ax-rrecex 11103  ax-cnre 11104  ax-pre-lttri 11105  ax-pre-lttrn 11106  ax-pre-ltadd 11107  ax-pre-mulgt0 11108  ax-pre-sup 11109  ax-addf 11110  ax-mulf 11111

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 849  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2069  df-mo 2540  df-eu 2570  df-clab 2716  df-cleq 2729  df-clel 2812  df-nfc 2886  df-ne 2934  df-nel 3038  df-ral 3053  df-rex 3062  df-rmo 3351  df-reu 3352  df-rab 3401  df-v 3443  df-sbc 3742  df-csb 3851  df-dif 3905  df-un 3907  df-in 3909  df-ss 3919  df-pss 3922  df-nul 4287  df-if 4481  df-pw 4557  df-sn 4582  df-pr 4584  df-tp 4586  df-op 4588  df-uni 4865  df-int 4904  df-iun 4949  df-br 5100  df-opab 5162  df-mpt 5181  df-tr 5207  df-id 5520  df-eprel 5525  df-po 5533  df-so 5534  df-fr 5578  df-se 5579  df-we 5580  df-xp 5631  df-rel 5632  df-cnv 5633  df-co 5634  df-dm 5635  df-rn 5636  df-res 5637  df-ima 5638  df-pred 6260  df-ord 6321  df-on 6322  df-lim 6323  df-suc 6324  df-iota 6449  df-fun 6495  df-fn 6496  df-f 6497  df-f1 6498  df-fo 6499  df-f1o 6500  df-fv 6501  df-isom 6502  df-riota 7318  df-ov 7364  df-oprab 7365  df-mpo 7366  df-of 7625  df-om 7812  df-1st 7936  df-2nd 7937  df-tpos 8171  df-frecs 8226  df-wrecs 8257  df-recs 8306  df-rdg 8344  df-1o 8400  df-oadd 8404  df-er 8638  df-ec 8640  df-qs 8644  df-map 8770  df-en 8889  df-dom 8890  df-sdom 8891  df-fin 8892  df-sup 9350  df-inf 9351  df-oi 9420  df-card 9856  df-pnf 11173  df-mnf 11174  df-xr 11175  df-ltxr 11176  df-le 11177  df-sub 11371  df-neg 11372  df-div 11800  df-nn 12151  df-2 12213  df-3 12214  df-4 12215  df-5 12216  df-6 12217  df-7 12218  df-8 12219  df-9 12220  df-n0 12407  df-xnn0 12480  df-z 12494  df-dec 12613  df-uz 12757  df-rp 12911  df-fz 13429  df-fzo 13576  df-fl 13717  df-mod 13795  df-seq 13930  df-exp 13990  df-hash 14259  df-cj 15027  df-re 15028  df-im 15029  df-sqrt 15163  df-abs 15164  df-clim 15416  df-sum 15615  df-dvds 16185  df-gcd 16427  df-phi 16698  df-struct 17079  df-sets 17096  df-slot 17114  df-ndx 17126  df-base 17142  df-ress 17163  df-plusg 17195  df-mulr 17196  df-starv 17197  df-sca 17198  df-vsca 17199  df-ip 17200  df-tset 17201  df-ple 17202  df-ds 17204  df-unif 17205  df-0g 17366  df-imas 17434  df-qus 17435  df-mgm 18570  df-sgrp 18649  df-mnd 18665  df-mhm 18713  df-grp 18871  df-minusg 18872  df-sbg 18873  df-mulg 19003  df-subg 19058  df-nsg 19059  df-eqg 19060  df-ghm 19147  df-cmn 19716  df-abl 19717  df-mgp 20081  df-rng 20093  df-ur 20122  df-ring 20175  df-cring 20176  df-oppr 20278  df-dvdsr 20298  df-unit 20299  df-invr 20329  df-rhm 20413  df-subrng 20484  df-subrg 20508  df-lmod 20818  df-lss 20888  df-lsp 20928  df-sra 21130  df-rgmod 21131  df-lidl 21168  df-rsp 21169  df-2idl 21210  df-cnfld 21315  df-zring 21407  df-zrh 21463  df-zn 21466  df-dchr 27205

This theorem is referenced by:  dchrhash  27243  dchr2sum  27245  dchrisumlem1  27461