Theorem phisum 16697

Description: The divisor sum identity of the totient function. Theorem 2.2 in [ApostolNT] p. 26. (Contributed by Stefan O'Rear, 12-Sep-2015.)

Assertion

Ref	Expression
phisum	⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘𝑑) = 𝑁)

Distinct variable group:   𝑥,𝑁,𝑑

Proof of Theorem phisum

Dummy variables 𝑧 𝑦 𝑤 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		breq1 5089	. . . . . 6 ⊢ (𝑥 = 𝑦 → (𝑥 ∥ 𝑁 ↔ 𝑦 ∥ 𝑁))
2	1	elrab 3642	. . . . 5 ⊢ (𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↔ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∥ 𝑁))
3		hashgcdeq 16696	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ ℕ) → (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = if(𝑦 ∥ 𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0))
4	3	adantrr 717	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∥ 𝑁)) → (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = if(𝑦 ∥ 𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0))
5		iftrue 4476	. . . . . . 7 ⊢ (𝑦 ∥ 𝑁 → if(𝑦 ∥ 𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
6	5	ad2antll 729	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∥ 𝑁)) → if(𝑦 ∥ 𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
7	4, 6	eqtrd 2766	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∥ 𝑁)) → (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
8	2, 7	sylan2b 594	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
9	8	sumeq2dv 15604	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = Σ𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
10		dvdsfi 16695	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ∈ Fin)
11		fzofi 13876	. . . . . 6 ⊢ (0..^𝑁) ∈ Fin
12		ssrab2 4025	. . . . . 6 ⊢ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ⊆ (0..^𝑁)
13		ssfi 9077	. . . . . 6 ⊢ (((0..^𝑁) ∈ Fin ∧ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ⊆ (0..^𝑁)) → {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ∈ Fin)
14	11, 12, 13	mp2an 692	. . . . 5 ⊢ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ∈ Fin
15	14	a1i 11	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ∈ Fin)
16		oveq1 7348	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → (𝑧 gcd 𝑁) = (𝑤 gcd 𝑁))
17	16	eqeq1d 2733	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → ((𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦 ↔ (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦))
18	17	elrab 3642	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ↔ (𝑤 ∈ (0..^𝑁) ∧ (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦))
19	18	simprbi 496	. . . . . . 7 ⊢ (𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} → (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦)
20	19	rgen 3049	. . . . . 6 ⊢ ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦
21	20	rgenw 3051	. . . . 5 ⊢ ∀𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}∀𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦
22		invdisj 5072	. . . . 5 ⊢ (∀𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}∀𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦 → Disj 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦})
23	21, 22	mp1i 13	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Disj 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦})
24	10, 15, 23	hashiun 15724	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = Σ𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}))
25		fveq2 6817	. . . 4 ⊢ (𝑑 = (𝑁 / 𝑦) → (ϕ‘𝑑) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
26		eqid 2731	. . . . 5 ⊢ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}
27		eqid 2731	. . . . 5 ⊢ (𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧)) = (𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧))
28	26, 27	dvdsflip 16223	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧)):{𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}–1-1-onto→{𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁})
29		oveq2 7349	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 = 𝑦 → (𝑁 / 𝑧) = (𝑁 / 𝑦))
30		ovex 7374	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 / 𝑦) ∈ V
31	29, 27, 30	fvmpt 6924	. . . . 5 ⊢ (𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} → ((𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧))‘𝑦) = (𝑁 / 𝑦))
32	31	adantl 481	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → ((𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧))‘𝑦) = (𝑁 / 𝑦))
33		elrabi 3638	. . . . . . 7 ⊢ (𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} → 𝑑 ∈ ℕ)
34	33	adantl 481	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → 𝑑 ∈ ℕ)
35	34	phicld 16678	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → (ϕ‘𝑑) ∈ ℕ)
36	35	nncnd 12136	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → (ϕ‘𝑑) ∈ ℂ)
37	25, 10, 28, 32, 36	fsumf1o 15625	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘𝑑) = Σ𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
38	9, 24, 37	3eqtr4rd 2777	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘𝑑) = (♯‘∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}))
39		iunrab 4996	. . . . 5 ⊢ ∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} = {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}
40		breq1 5089	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 = (𝑧 gcd 𝑁) → (𝑥 ∥ 𝑁 ↔ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
41		elfzoelz 13554	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑧 ∈ (0..^𝑁) → 𝑧 ∈ ℤ)
42	41	adantl 481	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → 𝑧 ∈ ℤ)
43		nnz 12484	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℤ)
44	43	adantr 480	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → 𝑁 ∈ ℤ)
45		nnne0 12154	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ≠ 0)
46	45	neneqd 2933	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ¬ 𝑁 = 0)
47	46	intnand 488	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ¬ (𝑧 = 0 ∧ 𝑁 = 0))
48	47	adantr 480	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → ¬ (𝑧 = 0 ∧ 𝑁 = 0))
49		gcdn0cl 16408	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝑧 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) ∧ ¬ (𝑧 = 0 ∧ 𝑁 = 0)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∈ ℕ)
50	42, 44, 48, 49	syl21anc 837	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∈ ℕ)
51		gcddvds 16409	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑧 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) → ((𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑧 ∧ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
52	42, 44, 51	syl2anc 584	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → ((𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑧 ∧ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
53	52	simprd 495	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁)
54	40, 50, 53	elrabd 3644	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁})
55		clel5 3615	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑧 gcd 𝑁) ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↔ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
56	54, 55	sylib 218	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
57	56	ralrimiva 3124	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ∀𝑧 ∈ (0..^𝑁)∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
58		rabid2 3428	. . . . . 6 ⊢ ((0..^𝑁) = {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ↔ ∀𝑧 ∈ (0..^𝑁)∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
59	57, 58	sylibr 234	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0..^𝑁) = {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦})
60	39, 59	eqtr4id 2785	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} = (0..^𝑁))
61	60	fveq2d 6821	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = (♯‘(0..^𝑁)))
62		nnnn0 12383	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ0)
63		hashfzo0 14332	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 → (♯‘(0..^𝑁)) = 𝑁)
64	62, 63	syl 17	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘(0..^𝑁)) = 𝑁)
65	61, 64	eqtrd 2766	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = 𝑁)
66	38, 65	eqtrd 2766	1 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘𝑑) = 𝑁)

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 395   = wceq 1541   ∈ wcel 2111  ∀wral 3047  ∃wrex 3056  {crab 3395   ⊆ wss 3897  ifcif 4470  ∪ ciun 4936  Disj wdisj 5053   class class class wbr 5086   ↦ cmpt 5167  ‘cfv 6476  (class class class)co 7341  Fincfn 8864  0cc0 11001   / cdiv 11769  ℕcn 12120  ℕ₀cn0 12376  ℤcz 12463  ..^cfzo 13549  ♯chash 14232  Σcsu 15588   ∥ cdvds 16158   gcd cgcd 16400  ϕcphi 16670

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1796  ax-4 1810  ax-5 1911  ax-6 1968  ax-7 2009  ax-8 2113  ax-9 2121  ax-10 2144  ax-11 2160  ax-12 2180  ax-ext 2703  ax-rep 5212  ax-sep 5229  ax-nul 5239  ax-pow 5298  ax-pr 5365  ax-un 7663  ax-inf2 9526  ax-cnex 11057  ax-resscn 11058  ax-1cn 11059  ax-icn 11060  ax-addcl 11061  ax-addrcl 11062  ax-mulcl 11063  ax-mulrcl 11064  ax-mulcom 11065  ax-addass 11066  ax-mulass 11067  ax-distr 11068  ax-i2m1 11069  ax-1ne0 11070  ax-1rid 11071  ax-rnegex 11072  ax-rrecex 11073  ax-cnre 11074  ax-pre-lttri 11075  ax-pre-lttrn 11076  ax-pre-ltadd 11077  ax-pre-mulgt0 11078  ax-pre-sup 11079

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1781  df-nf 1785  df-sb 2068  df-mo 2535  df-eu 2564  df-clab 2710  df-cleq 2723  df-clel 2806  df-nfc 2881  df-ne 2929  df-nel 3033  df-ral 3048  df-rex 3057  df-rmo 3346  df-reu 3347  df-rab 3396  df-v 3438  df-sbc 3737  df-csb 3846  df-dif 3900  df-un 3902  df-in 3904  df-ss 3914  df-pss 3917  df-nul 4279  df-if 4471  df-pw 4547  df-sn 4572  df-pr 4574  df-op 4578  df-uni 4855  df-int 4893  df-iun 4938  df-disj 5054  df-br 5087  df-opab 5149  df-mpt 5168  df-tr 5194  df-id 5506  df-eprel 5511  df-po 5519  df-so 5520  df-fr 5564  df-se 5565  df-we 5566  df-xp 5617  df-rel 5618  df-cnv 5619  df-co 5620  df-dm 5621  df-rn 5622  df-res 5623  df-ima 5624  df-pred 6243  df-ord 6304  df-on 6305  df-lim 6306  df-suc 6307  df-iota 6432  df-fun 6478  df-fn 6479  df-f 6480  df-f1 6481  df-fo 6482  df-f1o 6483  df-fv 6484  df-isom 6485  df-riota 7298  df-ov 7344  df-oprab 7345  df-mpo 7346  df-om 7792  df-1st 7916  df-2nd 7917  df-frecs 8206  df-wrecs 8237  df-recs 8286  df-rdg 8324  df-1o 8380  df-oadd 8384  df-er 8617  df-en 8865  df-dom 8866  df-sdom 8867  df-fin 8868  df-sup 9321  df-inf 9322  df-oi 9391  df-card 9827  df-pnf 11143  df-mnf 11144  df-xr 11145  df-ltxr 11146  df-le 11147  df-sub 11341  df-neg 11342  df-div 11770  df-nn 12121  df-2 12183  df-3 12184  df-n0 12377  df-xnn0 12450  df-z 12464  df-uz 12728  df-rp 12886  df-fz 13403  df-fzo 13550  df-fl 13691  df-mod 13769  df-seq 13904  df-exp 13964  df-hash 14233  df-cj 15001  df-re 15002  df-im 15003  df-sqrt 15137  df-abs 15138  df-clim 15390  df-sum 15589  df-dvds 16159  df-gcd 16401  df-phi 16672

This theorem is referenced by:  unitscyglem2  42229  unitscyglem4  42231