Theorem phisum 16845

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 5112	. . . . . 6 ⊢ (𝑥 = 𝑦 → (𝑥 ∥ 𝑁 ↔ 𝑦 ∥ 𝑁))
2	1	elrab 3650	. . . . 5 ⊢ (𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↔ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∥ 𝑁))
3		hashgcdeq 16844	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ ℕ) → (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = if(𝑦 ∥ 𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0))
4	3	adantrr 729	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∥ 𝑁)) → (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = if(𝑦 ∥ 𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0))
5		iftrue 4493	. . . . . . 7 ⊢ (𝑦 ∥ 𝑁 → if(𝑦 ∥ 𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
6	5	ad2antll 741	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∥ 𝑁)) → if(𝑦 ∥ 𝑁, (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)), 0) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
7	4, 6	eqtrd 2798	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑦 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∥ 𝑁)) → (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
8	2, 7	sylan2b 605	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → (♯‘{𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
9	8	sumeq2dv 15749	. . 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 16843	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ∈ Fin)
11		fzofi 14006	. . . . . 6 ⊢ (0..^𝑁) ∈ Fin
12		ssrab2 4034	. . . . . 6 ⊢ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ⊆ (0..^𝑁)
13		ssfi 9153	. . . . . 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 704	. . . . 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 7417	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → (𝑧 gcd 𝑁) = (𝑤 gcd 𝑁))
17	16	eqeq1d 2765	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → ((𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦 ↔ (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦))
18	17	elrab 3650	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} ↔ (𝑤 ∈ (0..^𝑁) ∧ (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦))
19	18	simprbi 502	. . . . . . 7 ⊢ (𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} → (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦)
20	19	rgen 3081	. . . . . 6 ⊢ ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦
21	20	rgenw 3083	. . . . 5 ⊢ ∀𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}∀𝑤 ∈ {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} (𝑤 gcd 𝑁) = 𝑦
22		invdisj 5095	. . . . 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 14	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Disj 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦})
24	10, 15, 23	hashiun 15870	. . 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 6881	. . . 4 ⊢ (𝑑 = (𝑁 / 𝑦) → (ϕ‘𝑑) = (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
26		eqid 2763	. . . . 5 ⊢ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} = {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}
27		eqid 2763	. . . . 5 ⊢ (𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧)) = (𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧))
28	26, 27	dvdsflip 16370	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧)):{𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}–1-1-onto→{𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁})
29		oveq2 7418	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 = 𝑦 → (𝑁 / 𝑧) = (𝑁 / 𝑦))
30		ovex 7443	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 / 𝑦) ∈ V
31	29, 27, 30	fvmpt 6989	. . . . 5 ⊢ (𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} → ((𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧))‘𝑦) = (𝑁 / 𝑦))
32	31	adantl 486	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → ((𝑧 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↦ (𝑁 / 𝑧))‘𝑦) = (𝑁 / 𝑦))
33		elrabi 3646	. . . . . . 7 ⊢ (𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} → 𝑑 ∈ ℕ)
34	33	adantl 486	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → 𝑑 ∈ ℕ)
35	34	phicld 16826	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → (ϕ‘𝑑) ∈ ℕ)
36	35	nncnd 12244	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁}) → (ϕ‘𝑑) ∈ ℂ)
37	25, 10, 28, 32, 36	fsumf1o 15770	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘𝑑) = Σ𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘(𝑁 / 𝑦)))
38	9, 24, 37	3eqtr4rd 2809	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘𝑑) = (♯‘∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}))
39		iunrab 5017	. . . . 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 5112	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 = (𝑧 gcd 𝑁) → (𝑥 ∥ 𝑁 ↔ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
41		elfzoelz 13683	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑧 ∈ (0..^𝑁) → 𝑧 ∈ ℤ)
42	41	adantl 486	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → 𝑧 ∈ ℤ)
43		nnz 12607	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℤ)
44	43	adantr 485	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → 𝑁 ∈ ℤ)
45		nnne0 12265	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ≠ 0)
46	45	neneqd 2963	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ¬ 𝑁 = 0)
47	46	intnand 493	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ¬ (𝑧 = 0 ∧ 𝑁 = 0))
48	47	adantr 485	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → ¬ (𝑧 = 0 ∧ 𝑁 = 0))
49		gcdn0cl 16555	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝑧 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) ∧ ¬ (𝑧 = 0 ∧ 𝑁 = 0)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∈ ℕ)
50	42, 44, 48, 49	syl21anc 850	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∈ ℕ)
51		gcddvds 16556	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑧 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) → ((𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑧 ∧ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
52	42, 44, 51	syl2anc 595	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → ((𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑧 ∧ (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁))
53	52	simprd 500	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∥ 𝑁)
54	40, 50, 53	elrabd 3652	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → (𝑧 gcd 𝑁) ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁})
55		clel5 3624	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑧 gcd 𝑁) ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} ↔ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
56	54, 55	sylib 221	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑧 ∈ (0..^𝑁)) → ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
57	56	ralrimiva 3157	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ∀𝑧 ∈ (0..^𝑁)∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦)
58		rabid2 3449	. . . . . 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 237	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (0..^𝑁) = {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ ∃𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦})
60	39, 59	eqtr4id 2817	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → ∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦} = (0..^𝑁))
61	60	fveq2d 6885	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = (♯‘(0..^𝑁)))
62		nnnn0 12506	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ0)
63		hashfzo0 14463	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 → (♯‘(0..^𝑁)) = 𝑁)
64	62, 63	syl 18	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘(0..^𝑁)) = 𝑁)
65	61, 64	eqtrd 2798	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘∪ 𝑦 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} {𝑧 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑧 gcd 𝑁) = 𝑦}) = 𝑁)
66	38, 65	eqtrd 2798	1 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑑 ∈ {𝑥 ∈ ℕ ∣ 𝑥 ∥ 𝑁} (ϕ‘𝑑) = 𝑁)

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 400   = wceq 1570   ∈ wcel 2143  ∀wral 3079  ∃wrex 3089  {crab 3416   ⊆ wss 3905  ifcif 4487  ∪ ciun 4956  Disj wdisj 5076   class class class wbr 5109   ↦ cmpt 5192  ‘cfv 6536  (class class class)co 7410  Fincfn 8939  0cc0 11095   / cdiv 11866  ℕcn 12228  ℕ₀cn0 12499  ℤcz 12586  ..^cfzo 13678  ♯chash 14362  Σcsu 15733   ∥ cdvds 16305   gcd cgcd 16547  ϕcphi 16818

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1825  ax-4 1839  ax-5 1940  ax-6 1997  ax-7 2038  ax-8 2145  ax-9 2153  ax-10 2176  ax-11 2192  ax-12 2213  ax-ext 2735  ax-rep 5238  ax-sep 5257  ax-nul 5269  ax-pow 5336  ax-pr 5404  ax-un 7732  ax-inf2 9606  ax-cnex 11151  ax-resscn 11152  ax-1cn 11153  ax-icn 11154  ax-addcl 11155  ax-addrcl 11156  ax-mulcl 11157  ax-mulrcl 11158  ax-mulcom 11159  ax-addass 11160  ax-mulass 11161  ax-distr 11162  ax-i2m1 11163  ax-1ne0 11164  ax-1rid 11165  ax-rnegex 11166  ax-rrecex 11167  ax-cnre 11168  ax-pre-lttri 11169  ax-pre-lttrn 11170  ax-pre-ltadd 11171  ax-pre-mulgt0 11172  ax-pre-sup 11173

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1810  df-nf 1814  df-sb 2097  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2838  df-nfc 2912  df-ne 2959  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3457  df-sbc 3745  df-csb 3854  df-dif 3908  df-un 3910  df-in 3912  df-ss 3922  df-pss 3925  df-nul 4287  df-if 4488  df-pw 4564  df-sn 4590  df-pr 4592  df-op 4596  df-uni 4873  df-int 4913  df-iun 4958  df-disj 5077  df-br 5110  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-tr 5219  df-id 5556  df-eprel 5561  df-po 5569  df-so 5570  df-fr 5614  df-se 5615  df-we 5616  df-xp 5667  df-rel 5668  df-cnv 5669  df-co 5670  df-dm 5671  df-rn 5672  df-res 5673  df-ima 5674  df-pred 6302  df-ord 6363  df-on 6364  df-lim 6365  df-suc 6366  df-iota 6492  df-fun 6538  df-fn 6539  df-f 6540  df-f1 6541  df-fo 6542  df-f1o 6543  df-fv 6544  df-isom 6545  df-riota 7367  df-ov 7413  df-oprab 7414  df-mpo 7415  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-oadd 8453  df-er 8690  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-sup 9398  df-inf 9399  df-oi 9468  df-card 9921  df-pnf 11240  df-mnf 11241  df-xr 11242  df-ltxr 11243  df-le 11244  df-sub 11438  df-neg 11439  df-div 11867  df-nn 12229  df-2 12298  df-3 12299  df-n0 12500  df-xnn0 12573  df-z 12587  df-uz 12858  df-rp 13012  df-fz 13531  df-fzo 13679  df-fl 13821  df-mod 13899  df-seq 14034  df-exp 14094  df-hash 14363  df-cj 15146  df-re 15147  df-im 15148  df-sqrt 15282  df-abs 15283  df-clim 15535  df-sum 15734  df-dvds 16306  df-gcd 16548  df-phi 16820

This theorem is referenced by:  unitscyglem2  42963  unitscyglem4  42965