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

Theorem dchrhash 24796
 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 2610 . . . . . 6 (ℤ/nℤ‘𝑁) = (ℤ/nℤ‘𝑁)
2 eqid 2610 . . . . . 6 (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
31, 2znfi 19727 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ Fin)
4 sumdchr.g . . . . . 6 𝐺 = (DChr‘𝑁)
5 sumdchr.d . . . . . 6 𝐷 = (Base‘𝐺)
64, 5dchrfi 24780 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → 𝐷 ∈ Fin)
7 simprr 792 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ 𝑥𝐷)) → 𝑥𝐷)
84, 1, 5, 2, 7dchrf 24767 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ 𝑥𝐷)) → 𝑥:(Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))⟶ℂ)
9 simprl 790 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ 𝑥𝐷)) → 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
108, 9ffvelrnd 6268 . . . . 5 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ (𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ 𝑥𝐷)) → (𝑥𝑎) ∈ ℂ)
113, 6, 10fsumcom 14349 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))Σ𝑥𝐷 (𝑥𝑎) = Σ𝑥𝐷 Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))(𝑥𝑎))
12 eqid 2610 . . . . . . 7 (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
13 simpl 472 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → 𝑁 ∈ ℕ)
14 simpr 476 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
154, 5, 1, 12, 2, 13, 14sumdchr2 24795 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → Σ𝑥𝐷 (𝑥𝑎) = if(𝑎 = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)), (#‘𝐷), 0))
16 velsn 4141 . . . . . . 7 (𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} ↔ 𝑎 = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
17 ifbi 4057 . . . . . . 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 13 . . . . . 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 2647 . . . . 5 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))) → Σ𝑥𝐷 (𝑥𝑎) = if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (#‘𝐷), 0))
2019sumeq2dv 14281 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))Σ𝑥𝐷 (𝑥𝑎) = Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (#‘𝐷), 0))
21 eqid 2610 . . . . . . 7 (0g𝐺) = (0g𝐺)
22 simpr 476 . . . . . . 7 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑥𝐷) → 𝑥𝐷)
234, 1, 5, 21, 22, 2dchrsum 24794 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑥𝐷) → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))(𝑥𝑎) = if(𝑥 = (0g𝐺), (ϕ‘𝑁), 0))
24 velsn 4141 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ {(0g𝐺)} ↔ 𝑥 = (0g𝐺))
25 ifbi 4057 . . . . . . 7 ((𝑥 ∈ {(0g𝐺)} ↔ 𝑥 = (0g𝐺)) → if(𝑥 ∈ {(0g𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0) = if(𝑥 = (0g𝐺), (ϕ‘𝑁), 0))
2624, 25mp1i 13 . . . . . 6 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑥𝐷) → if(𝑥 ∈ {(0g𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0) = if(𝑥 = (0g𝐺), (ϕ‘𝑁), 0))
2723, 26eqtr4d 2647 . . . . 5 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑥𝐷) → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))(𝑥𝑎) = if(𝑥 ∈ {(0g𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
2827sumeq2dv 14281 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑥𝐷 Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))(𝑥𝑎) = Σ𝑥𝐷 if(𝑥 ∈ {(0g𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
2911, 20, 283eqtr3d 2652 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (#‘𝐷), 0) = Σ𝑥𝐷 if(𝑥 ∈ {(0g𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
30 nnnn0 11176 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℕ0)
311zncrng 19712 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ0 → (ℤ/nℤ‘𝑁) ∈ CRing)
32 crngring 18381 . . . . . 6 ((ℤ/nℤ‘𝑁) ∈ CRing → (ℤ/nℤ‘𝑁) ∈ Ring)
332, 12ringidcl 18391 . . . . . 6 ((ℤ/nℤ‘𝑁) ∈ Ring → (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
3430, 31, 32, 334syl 19 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
3534snssd 4281 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} ⊆ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
36 hashcl 13009 . . . . . 6 (𝐷 ∈ Fin → (#‘𝐷) ∈ ℕ0)
37 nn0cn 11179 . . . . . 6 ((#‘𝐷) ∈ ℕ0 → (#‘𝐷) ∈ ℂ)
386, 36, 373syl 18 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (#‘𝐷) ∈ ℂ)
3938ralrimivw 2950 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ∀𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (#‘𝐷) ∈ ℂ)
403olcd 407 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ((Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ⊆ (ℤ‘0) ∨ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ Fin))
41 sumss2 14304 . . . 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 1317 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (#‘𝐷) = Σ𝑎 ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))if(𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))}, (#‘𝐷), 0))
434dchrabl 24779 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → 𝐺 ∈ Abel)
44 ablgrp 18021 . . . . . 6 (𝐺 ∈ Abel → 𝐺 ∈ Grp)
455, 21grpidcl 17273 . . . . . 6 (𝐺 ∈ Grp → (0g𝐺) ∈ 𝐷)
4643, 44, 453syl 18 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (0g𝐺) ∈ 𝐷)
4746snssd 4281 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → {(0g𝐺)} ⊆ 𝐷)
48 phicl 15312 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (ϕ‘𝑁) ∈ ℕ)
4948nncnd 10913 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → (ϕ‘𝑁) ∈ ℂ)
5049ralrimivw 2950 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → ∀𝑥 ∈ {(0g𝐺)} (ϕ‘𝑁) ∈ ℂ)
516olcd 407 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (𝐷 ⊆ (ℤ‘0) ∨ 𝐷 ∈ Fin))
52 sumss2 14304 . . . 4 ((({(0g𝐺)} ⊆ 𝐷 ∧ ∀𝑥 ∈ {(0g𝐺)} (ϕ‘𝑁) ∈ ℂ) ∧ (𝐷 ⊆ (ℤ‘0) ∨ 𝐷 ∈ Fin)) → Σ𝑥 ∈ {(0g𝐺)} (ϕ‘𝑁) = Σ𝑥𝐷 if(𝑥 ∈ {(0g𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
5347, 50, 51, 52syl21anc 1317 . . 3 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑥 ∈ {(0g𝐺)} (ϕ‘𝑁) = Σ𝑥𝐷 if(𝑥 ∈ {(0g𝐺)}, (ϕ‘𝑁), 0))
5429, 42, 533eqtr4d 2654 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (#‘𝐷) = Σ𝑥 ∈ {(0g𝐺)} (ϕ‘𝑁))
55 eqidd 2611 . . . 4 (𝑎 = (1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) → (#‘𝐷) = (#‘𝐷))
5655sumsn 14319 . . 3 (((1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∈ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ∧ (#‘𝐷) ∈ ℂ) → Σ𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (#‘𝐷) = (#‘𝐷))
5734, 38, 56syl2anc 691 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑎 ∈ {(1r‘(ℤ/nℤ‘𝑁))} (#‘𝐷) = (#‘𝐷))
58 eqidd 2611 . . . 4 (𝑥 = (0g𝐺) → (ϕ‘𝑁) = (ϕ‘𝑁))
5958sumsn 14319 . . 3 (((0g𝐺) ∈ 𝐷 ∧ (ϕ‘𝑁) ∈ ℂ) → Σ𝑥 ∈ {(0g𝐺)} (ϕ‘𝑁) = (ϕ‘𝑁))
6046, 49, 59syl2anc 691 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → Σ𝑥 ∈ {(0g𝐺)} (ϕ‘𝑁) = (ϕ‘𝑁))
6154, 57, 603eqtr3d 2652 1 (𝑁 ∈ ℕ → (#‘𝐷) = (ϕ‘𝑁))
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 195   ∨ wo 382   ∧ wa 383   = wceq 1475   ∈ wcel 1977  ∀wral 2896   ⊆ wss 3540  ifcif 4036  {csn 4125  ‘cfv 5804  Fincfn 7841  ℂcc 9813  0cc0 9815  ℕcn 10897  ℕ0cn0 11169  ℤ≥cuz 11563  #chash 12979  Σcsu 14264  ϕcphi 15307  Basecbs 15695  0gc0g 15923  Grpcgrp 17245  Abelcabl 18017  1rcur 18324  Ringcrg 18370  CRingccrg 18371  ℤ/nℤczn 19670  DChrcdchr 24757 This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1713  ax-4 1728  ax-5 1827  ax-6 1875  ax-7 1922  ax-8 1979  ax-9 1986  ax-10 2006  ax-11 2021  ax-12 2034  ax-13 2234  ax-ext 2590  ax-rep 4699  ax-sep 4709  ax-nul 4717  ax-pow 4769  ax-pr 4833  ax-un 6847  ax-inf2 8421  ax-cnex 9871  ax-resscn 9872  ax-1cn 9873  ax-icn 9874  ax-addcl 9875  ax-addrcl 9876  ax-mulcl 9877  ax-mulrcl 9878  ax-mulcom 9879  ax-addass 9880  ax-mulass 9881  ax-distr 9882  ax-i2m1 9883  ax-1ne0 9884  ax-1rid 9885  ax-rnegex 9886  ax-rrecex 9887  ax-cnre 9888  ax-pre-lttri 9889  ax-pre-lttrn 9890  ax-pre-ltadd 9891  ax-pre-mulgt0 9892  ax-pre-sup 9893  ax-addf 9894  ax-mulf 9895 This theorem depends on definitions:  df-bi 196  df-or 384  df-an 385  df-3or 1032  df-3an 1033  df-tru 1478  df-fal 1481  df-ex 1696  df-nf 1701  df-sb 1868  df-eu 2462  df-mo 2463  df-clab 2597  df-cleq 2603  df-clel 2606  df-nfc 2740  df-ne 2782  df-nel 2783  df-ral 2901  df-rex 2902  df-reu 2903  df-rmo 2904  df-rab 2905  df-v 3175  df-sbc 3403  df-csb 3500  df-dif 3543  df-un 3545  df-in 3547  df-ss 3554  df-pss 3556  df-nul 3875  df-if 4037  df-pw 4110  df-sn 4126  df-pr 4128  df-tp 4130  df-op 4132  df-uni 4373  df-int 4411  df-iun 4457  df-iin 4458  df-disj 4554  df-br 4584  df-opab 4644  df-mpt 4645  df-tr 4681  df-eprel 4949  df-id 4953  df-po 4959  df-so 4960  df-fr 4997  df-se 4998  df-we 4999  df-xp 5044  df-rel 5045  df-cnv 5046  df-co 5047  df-dm 5048  df-rn 5049  df-res 5050  df-ima 5051  df-pred 5597  df-ord 5643  df-on 5644  df-lim 5645  df-suc 5646  df-iota 5768  df-fun 5806  df-fn 5807  df-f 5808  df-f1 5809  df-fo 5810  df-f1o 5811  df-fv 5812  df-isom 5813  df-riota 6511  df-ov 6552  df-oprab 6553  df-mpt2 6554  df-of 6795  df-rpss 6835  df-om 6958  df-1st 7059  df-2nd 7060  df-supp 7183  df-tpos 7239  df-wrecs 7294  df-recs 7355  df-rdg 7393  df-1o 7447  df-2o 7448  df-oadd 7451  df-omul 7452  df-er 7629  df-ec 7631  df-qs 7635  df-map 7746  df-pm 7747  df-ixp 7795  df-en 7842  df-dom 7843  df-sdom 7844  df-fin 7845  df-fsupp 8159  df-fi 8200  df-sup 8231  df-inf 8232  df-oi 8298  df-card 8648  df-acn 8651  df-cda 8873  df-pnf 9955  df-mnf 9956  df-xr 9957  df-ltxr 9958  df-le 9959  df-sub 10147  df-neg 10148  df-div 10564  df-nn 10898  df-2 10956  df-3 10957  df-4 10958  df-5 10959  df-6 10960  df-7 10961  df-8 10962  df-9 10963  df-n0 11170  df-xnn0 11241  df-z 11255  df-dec 11370  df-uz 11564  df-q 11665  df-rp 11709  df-xneg 11822  df-xadd 11823  df-xmul 11824  df-ioo 12050  df-ioc 12051  df-ico 12052  df-icc 12053  df-fz 12198  df-fzo 12335  df-fl 12455  df-mod 12531  df-seq 12664  df-exp 12723  df-fac 12923  df-bc 12952  df-hash 12980  df-word 13154  df-concat 13156  df-s1 13157  df-shft 13655  df-cj 13687  df-re 13688  df-im 13689  df-sqrt 13823  df-abs 13824  df-limsup 14050  df-clim 14067  df-rlim 14068  df-sum 14265  df-ef 14637  df-sin 14639  df-cos 14640  df-pi 14642  df-dvds 14822  df-gcd 15055  df-prm 15224  df-phi 15309  df-pc 15380  df-struct 15697  df-ndx 15698  df-slot 15699  df-base 15700  df-sets 15701  df-ress 15702  df-plusg 15781  df-mulr 15782  df-starv 15783  df-sca 15784  df-vsca 15785  df-ip 15786  df-tset 15787  df-ple 15788  df-ds 15791  df-unif 15792  df-hom 15793  df-cco 15794  df-rest 15906  df-topn 15907  df-0g 15925  df-gsum 15926  df-topgen 15927  df-pt 15928  df-prds 15931  df-xrs 15985  df-qtop 15990  df-imas 15991  df-qus 15992  df-xps 15993  df-mre 16069  df-mrc 16070  df-acs 16072  df-mgm 17065  df-sgrp 17107  df-mnd 17118  df-mhm 17158  df-submnd 17159  df-grp 17248  df-minusg 17249  df-sbg 17250  df-mulg 17364  df-subg 17414  df-nsg 17415  df-eqg 17416  df-ghm 17481  df-gim 17524  df-ga 17546  df-cntz 17573  df-oppg 17599  df-od 17771  df-gex 17772  df-pgp 17773  df-lsm 17874  df-pj1 17875  df-cmn 18018  df-abl 18019  df-cyg 18103  df-dprd 18217  df-dpj 18218  df-mgp 18313  df-ur 18325  df-ring 18372  df-cring 18373  df-oppr 18446  df-dvdsr 18464  df-unit 18465  df-invr 18495  df-rnghom 18538  df-subrg 18601  df-lmod 18688  df-lss 18754  df-lsp 18793  df-sra 18993  df-rgmod 18994  df-lidl 18995  df-rsp 18996  df-2idl 19053  df-psmet 19559  df-xmet 19560  df-met 19561  df-bl 19562  df-mopn 19563  df-fbas 19564  df-fg 19565  df-cnfld 19568  df-zring 19638  df-zrh 19671  df-zn 19674  df-top 20521  df-bases 20522  df-topon 20523  df-topsp 20524  df-cld 20633  df-ntr 20634  df-cls 20635  df-nei 20712  df-lp 20750  df-perf 20751  df-cn 20841  df-cnp 20842  df-haus 20929  df-tx 21175  df-hmeo 21368  df-fil 21460  df-fm 21552  df-flim 21553  df-flf 21554  df-xms 21935  df-ms 21936  df-tms 21937  df-cncf 22489  df-0p 23243  df-limc 23436  df-dv 23437  df-ply 23748  df-idp 23749  df-coe 23750  df-dgr 23751  df-quot 23850  df-log 24107  df-cxp 24108  df-dchr 24758 This theorem is referenced by:  sumdchr  24797
 Copyright terms: Public domain W3C validator