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Theorem dirkertrigeqlem2

Description: Trigonomic equality lemma for the Dirichlet Kernel trigonomic equality. (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019)

Ref Expression
Hypotheses dirkertrigeqlem2.a φ A
dirkertrigeqlem2.sinne0 φ sin A 0
dirkertrigeqlem2.n φ N
Assertion dirkertrigeqlem2 φ 1 2 + n = 1 N cos n A π = sin N + 1 2 A 2 π sin A 2

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 dirkertrigeqlem2.a φ A
2 dirkertrigeqlem2.sinne0 φ sin A 0
3 dirkertrigeqlem2.n φ N
4 1cnd φ 1
5 4 halfcld φ 1 2
6 fzfid φ 1 N Fin
7 elfzelz n 1 N n
8 7 zcnd n 1 N n
9 8 adantl φ n 1 N n
10 1 recnd φ A
11 10 adantr φ n 1 N A
12 9 11 mulcld φ n 1 N n A
13 12 coscld φ n 1 N cos n A
14 6 13 fsumcl φ n = 1 N cos n A
15 5 14 addcld φ 1 2 + n = 1 N cos n A
16 10 sincld φ sin A
17 15 16 2 divcan4d φ 1 2 + n = 1 N cos n A sin A sin A = 1 2 + n = 1 N cos n A
18 17 eqcomd φ 1 2 + n = 1 N cos n A = 1 2 + n = 1 N cos n A sin A sin A
19 6 16 13 fsummulc1 φ n = 1 N cos n A sin A = n = 1 N cos n A sin A
20 16 adantr φ n 1 N sin A
21 13 20 mulcomd φ n 1 N cos n A sin A = sin A cos n A
22 sinmulcos A n A sin A cos n A = sin A + n A + sin A n A 2
23 11 12 22 syl2anc φ n 1 N sin A cos n A = sin A + n A + sin A n A 2
24 1cnd φ n 1 N 1
25 9 24 11 adddird φ n 1 N n + 1 A = n A + 1 A
26 24 11 mulcld φ n 1 N 1 A
27 12 26 addcomd φ n 1 N n A + 1 A = 1 A + n A
28 10 mulid2d φ 1 A = A
29 28 oveq1d φ 1 A + n A = A + n A
30 29 adantr φ n 1 N 1 A + n A = A + n A
31 25 27 30 3eqtrrd φ n 1 N A + n A = n + 1 A
32 31 fveq2d φ n 1 N sin A + n A = sin n + 1 A
33 12 11 negsubdi2d φ n 1 N n A A = A n A
34 33 eqcomd φ n 1 N A n A = n A A
35 34 fveq2d φ n 1 N sin A n A = sin n A A
36 12 11 subcld φ n 1 N n A A
37 sinneg n A A sin n A A = sin n A A
38 36 37 syl φ n 1 N sin n A A = sin n A A
39 35 38 eqtrd φ n 1 N sin A n A = sin n A A
40 32 39 oveq12d φ n 1 N sin A + n A + sin A n A = sin n + 1 A + sin n A A
41 11 12 addcld φ n 1 N A + n A
42 41 sincld φ n 1 N sin A + n A
43 32 42 eqeltrrd φ n 1 N sin n + 1 A
44 36 sincld φ n 1 N sin n A A
45 43 44 negsubd φ n 1 N sin n + 1 A + sin n A A = sin n + 1 A sin n A A
46 9 11 mulsubfacd φ n 1 N n A A = n 1 A
47 46 fveq2d φ n 1 N sin n A A = sin n 1 A
48 47 oveq2d φ n 1 N sin n + 1 A sin n A A = sin n + 1 A sin n 1 A
49 40 45 48 3eqtrd φ n 1 N sin A + n A + sin A n A = sin n + 1 A sin n 1 A
50 49 oveq1d φ n 1 N sin A + n A + sin A n A 2 = sin n + 1 A sin n 1 A 2
51 21 23 50 3eqtrd φ n 1 N cos n A sin A = sin n + 1 A sin n 1 A 2
52 51 sumeq2dv φ n = 1 N cos n A sin A = n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A 2
53 2cnd φ 2
54 peano2cnm n n 1
55 9 54 syl φ n 1 N n 1
56 55 11 mulcld φ n 1 N n 1 A
57 56 sincld φ n 1 N sin n 1 A
58 43 57 subcld φ n 1 N sin n + 1 A sin n 1 A
59 2ne0 2 0
60 59 a1i φ 2 0
61 6 53 58 60 fsumdivc φ n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A 2 = n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A 2
62 6 58 fsumcl φ n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A
63 62 53 60 divrec2d φ n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A 2 = 1 2 n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A
64 61 63 eqtr3d φ n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A 2 = 1 2 n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A
65 19 52 64 3eqtrd φ n = 1 N cos n A sin A = 1 2 n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A
66 65 oveq2d φ 1 2 sin A + n = 1 N cos n A sin A = 1 2 sin A + 1 2 n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A
67 5 14 16 adddird φ 1 2 + n = 1 N cos n A sin A = 1 2 sin A + n = 1 N cos n A sin A
68 5 16 62 adddid φ 1 2 sin A + n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A = 1 2 sin A + 1 2 n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A
69 66 67 68 3eqtr4d φ 1 2 + n = 1 N cos n A sin A = 1 2 sin A + n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A
70 69 oveq1d φ 1 2 + n = 1 N cos n A sin A sin A = 1 2 sin A + n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A sin A
71 12 sincld φ n 1 N sin n A
72 43 71 57 npncand φ n 1 N sin n + 1 A sin n A + sin n A - sin n 1 A = sin n + 1 A sin n 1 A
73 72 eqcomd φ n 1 N sin n + 1 A sin n 1 A = sin n + 1 A sin n A + sin n A - sin n 1 A
74 73 sumeq2dv φ n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A = n = 1 N sin n + 1 A sin n A + sin n A - sin n 1 A
75 43 71 subcld φ n 1 N sin n + 1 A sin n A
76 71 57 subcld φ n 1 N sin n A sin n 1 A
77 6 75 76 fsumadd φ n = 1 N sin n + 1 A sin n A + sin n A - sin n 1 A = n = 1 N sin n + 1 A sin n A + n = 1 N sin n A sin n 1 A
78 fvoveq1 j = n sin j A = sin n A
79 fvoveq1 j = n + 1 sin j A = sin n + 1 A
80 fvoveq1 j = 1 sin j A = sin 1 A
81 fvoveq1 j = N + 1 sin j A = sin N + 1 A
82 3 nnzd φ N
83 nnuz = 1
84 3 83 eleqtrdi φ N 1
85 peano2uz N 1 N + 1 1
86 84 85 syl φ N + 1 1
87 elfzelz j 1 N + 1 j
88 87 zcnd j 1 N + 1 j
89 88 adantl φ j 1 N + 1 j
90 10 adantr φ j 1 N + 1 A
91 89 90 mulcld φ j 1 N + 1 j A
92 91 sincld φ j 1 N + 1 sin j A
93 78 79 80 81 82 86 92 telfsum2 φ n = 1 N sin n + 1 A sin n A = sin N + 1 A sin 1 A
94 1cnd n 1 N 1
95 8 94 pncand n 1 N n + 1 - 1 = n
96 95 eqcomd n 1 N n = n + 1 - 1
97 96 adantl φ n 1 N n = n + 1 - 1
98 97 fvoveq1d φ n 1 N sin n A = sin n + 1 - 1 A
99 98 oveq1d φ n 1 N sin n A sin n 1 A = sin n + 1 - 1 A sin n 1 A
100 99 sumeq2dv φ n = 1 N sin n A sin n 1 A = n = 1 N sin n + 1 - 1 A sin n 1 A
101 oveq1 j = n j 1 = n 1
102 101 fvoveq1d j = n sin j 1 A = sin n 1 A
103 oveq1 j = n + 1 j 1 = n + 1 - 1
104 103 fvoveq1d j = n + 1 sin j 1 A = sin n + 1 - 1 A
105 oveq1 j = 1 j 1 = 1 1
106 105 fvoveq1d j = 1 sin j 1 A = sin 1 1 A
107 oveq1 j = N + 1 j 1 = N + 1 - 1
108 107 fvoveq1d j = N + 1 sin j 1 A = sin N + 1 - 1 A
109 1cnd φ j 1 N + 1 1
110 89 109 subcld φ j 1 N + 1 j 1
111 110 90 mulcld φ j 1 N + 1 j 1 A
112 111 sincld φ j 1 N + 1 sin j 1 A
113 102 104 106 108 82 86 112 telfsum2 φ n = 1 N sin n + 1 - 1 A sin n 1 A = sin N + 1 - 1 A sin 1 1 A
114 3 nnred φ N
115 114 recnd φ N
116 115 4 pncand φ N + 1 - 1 = N
117 116 fvoveq1d φ sin N + 1 - 1 A = sin N A
118 4 subidd φ 1 1 = 0
119 118 oveq1d φ 1 1 A = 0 A
120 10 mul02d φ 0 A = 0
121 119 120 eqtrd φ 1 1 A = 0
122 121 fveq2d φ sin 1 1 A = sin 0
123 sin0 sin 0 = 0
124 123 a1i φ sin 0 = 0
125 122 124 eqtrd φ sin 1 1 A = 0
126 117 125 oveq12d φ sin N + 1 - 1 A sin 1 1 A = sin N A 0
127 100 113 126 3eqtrd φ n = 1 N sin n A sin n 1 A = sin N A 0
128 93 127 oveq12d φ n = 1 N sin n + 1 A sin n A + n = 1 N sin n A sin n 1 A = sin N + 1 A sin 1 A + sin N A - 0
129 74 77 128 3eqtrd φ n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A = sin N + 1 A sin 1 A + sin N A - 0
130 129 oveq2d φ sin A + n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A = sin A + sin N + 1 A sin 1 A + sin N A 0
131 28 fveq2d φ sin 1 A = sin A
132 131 oveq2d φ sin N + 1 A sin 1 A = sin N + 1 A sin A
133 132 oveq1d φ sin N + 1 A sin 1 A + sin N A - 0 = sin N + 1 A sin A + sin N A - 0
134 133 oveq2d φ sin A + sin N + 1 A sin 1 A + sin N A 0 = sin A + sin N + 1 A sin A + sin N A 0
135 115 4 addcld φ N + 1
136 135 10 mulcld φ N + 1 A
137 136 sincld φ sin N + 1 A
138 137 16 subcld φ sin N + 1 A sin A
139 115 10 mulcld φ N A
140 139 sincld φ sin N A
141 0cnd φ 0
142 140 141 subcld φ sin N A 0
143 16 138 142 addassd φ sin A + sin N + 1 A sin A + sin N A 0 = sin A + sin N + 1 A sin A + sin N A 0
144 143 eqcomd φ sin A + sin N + 1 A sin A + sin N A 0 = sin A + sin N + 1 A sin A + sin N A 0
145 16 137 pncan3d φ sin A + sin N + 1 A - sin A = sin N + 1 A
146 140 subid1d φ sin N A 0 = sin N A
147 145 146 oveq12d φ sin A + sin N + 1 A sin A + sin N A 0 = sin N + 1 A + sin N A
148 137 140 addcomd φ sin N + 1 A + sin N A = sin N A + sin N + 1 A
149 147 148 eqtrd φ sin A + sin N + 1 A sin A + sin N A 0 = sin N A + sin N + 1 A
150 134 144 149 3eqtrd φ sin A + sin N + 1 A sin 1 A + sin N A 0 = sin N A + sin N + 1 A
151 130 150 eqtrd φ sin A + n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A = sin N A + sin N + 1 A
152 151 oveq2d φ 1 2 sin A + n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A = 1 2 sin N A + sin N + 1 A
153 152 oveq1d φ 1 2 sin A + n = 1 N sin n + 1 A sin n 1 A sin A = 1 2 sin N A + sin N + 1 A sin A
154 18 70 153 3eqtrd φ 1 2 + n = 1 N cos n A = 1 2 sin N A + sin N + 1 A sin A
155 halfre 1 2
156 155 a1i φ 1 2
157 114 156 readdcld φ N + 1 2
158 157 1 remulcld φ N + 1 2 A
159 158 recnd φ N + 1 2 A
160 5 10 mulcld φ 1 2 A
161 sinmulcos N + 1 2 A 1 2 A sin N + 1 2 A cos 1 2 A = sin N + 1 2 A + 1 2 A + sin N + 1 2 A 1 2 A 2
162 159 160 161 syl2anc φ sin N + 1 2 A cos 1 2 A = sin N + 1 2 A + 1 2 A + sin N + 1 2 A 1 2 A 2
163 115 5 10 adddird φ N + 1 2 A = N A + 1 2 A
164 163 oveq1d φ N + 1 2 A + 1 2 A = N A + 1 2 A + 1 2 A
165 139 160 160 addassd φ N A + 1 2 A + 1 2 A = N A + 1 2 A + 1 2 A
166 5 5 10 adddird φ 1 2 + 1 2 A = 1 2 A + 1 2 A
167 4 2halvesd φ 1 2 + 1 2 = 1
168 167 oveq1d φ 1 2 + 1 2 A = 1 A
169 166 168 eqtr3d φ 1 2 A + 1 2 A = 1 A
170 169 oveq2d φ N A + 1 2 A + 1 2 A = N A + 1 A
171 115 4 10 adddird φ N + 1 A = N A + 1 A
172 170 171 eqtr4d φ N A + 1 2 A + 1 2 A = N + 1 A
173 164 165 172 3eqtrrd φ N + 1 A = N + 1 2 A + 1 2 A
174 173 fveq2d φ sin N + 1 A = sin N + 1 2 A + 1 2 A
175 163 oveq1d φ N + 1 2 A 1 2 A = N A + 1 2 A - 1 2 A
176 139 160 pncand φ N A + 1 2 A - 1 2 A = N A
177 175 176 eqtr2d φ N A = N + 1 2 A 1 2 A
178 177 fveq2d φ sin N A = sin N + 1 2 A 1 2 A
179 174 178 oveq12d φ sin N + 1 A + sin N A = sin N + 1 2 A + 1 2 A + sin N + 1 2 A 1 2 A
180 179 oveq1d φ sin N + 1 A + sin N A 2 = sin N + 1 2 A + 1 2 A + sin N + 1 2 A 1 2 A 2
181 162 180 eqtr4d φ sin N + 1 2 A cos 1 2 A = sin N + 1 A + sin N A 2
182 148 oveq1d φ sin N + 1 A + sin N A 2 = sin N A + sin N + 1 A 2
183 140 137 addcld φ sin N A + sin N + 1 A
184 183 53 60 divrec2d φ sin N A + sin N + 1 A 2 = 1 2 sin N A + sin N + 1 A
185 181 182 184 3eqtrrd φ 1 2 sin N A + sin N + 1 A = sin N + 1 2 A cos 1 2 A
186 185 oveq1d φ 1 2 sin N A + sin N + 1 A sin A = sin N + 1 2 A cos 1 2 A sin A
187 10 53 60 divcan2d φ 2 A 2 = A
188 187 eqcomd φ A = 2 A 2
189 188 fveq2d φ sin A = sin 2 A 2
190 10 halfcld φ A 2
191 sin2t A 2 sin 2 A 2 = 2 sin A 2 cos A 2
192 190 191 syl φ sin 2 A 2 = 2 sin A 2 cos A 2
193 189 192 eqtrd φ sin A = 2 sin A 2 cos A 2
194 193 oveq2d φ sin N + 1 2 A cos 1 2 A sin A = sin N + 1 2 A cos 1 2 A 2 sin A 2 cos A 2
195 190 sincld φ sin A 2
196 190 coscld φ cos A 2
197 53 195 196 mulassd φ 2 sin A 2 cos A 2 = 2 sin A 2 cos A 2
198 10 53 60 divrec2d φ A 2 = 1 2 A
199 198 fveq2d φ cos A 2 = cos 1 2 A
200 199 oveq2d φ 2 sin A 2 cos A 2 = 2 sin A 2 cos 1 2 A
201 197 200 eqtr3d φ 2 sin A 2 cos A 2 = 2 sin A 2 cos 1 2 A
202 201 oveq2d φ sin N + 1 2 A cos 1 2 A 2 sin A 2 cos A 2 = sin N + 1 2 A cos 1 2 A 2 sin A 2 cos 1 2 A
203 159 sincld φ sin N + 1 2 A
204 53 195 mulcld φ 2 sin A 2
205 160 coscld φ cos 1 2 A
206 195 196 mulcld φ sin A 2 cos A 2
207 193 2 eqnetrrd φ 2 sin A 2 cos A 2 0
208 53 206 207 mulne0bbd φ sin A 2 cos A 2 0
209 195 196 208 mulne0bad φ sin A 2 0
210 53 195 60 209 mulne0d φ 2 sin A 2 0
211 195 196 208 mulne0bbd φ cos A 2 0
212 199 211 eqnetrrd φ cos 1 2 A 0
213 203 204 205 210 212 divcan5rd φ sin N + 1 2 A cos 1 2 A 2 sin A 2 cos 1 2 A = sin N + 1 2 A 2 sin A 2
214 194 202 213 3eqtrd φ sin N + 1 2 A cos 1 2 A sin A = sin N + 1 2 A 2 sin A 2
215 154 186 214 3eqtrd φ 1 2 + n = 1 N cos n A = sin N + 1 2 A 2 sin A 2
216 215 oveq1d φ 1 2 + n = 1 N cos n A π = sin N + 1 2 A 2 sin A 2 π
217 picn π
218 217 a1i φ π
219 pire π
220 pipos 0 < π
221 219 220 gt0ne0ii π 0
222 221 a1i φ π 0
223 203 204 218 210 222 divdiv32d φ sin N + 1 2 A 2 sin A 2 π = sin N + 1 2 A π 2 sin A 2
224 203 218 204 222 210 divdiv1d φ sin N + 1 2 A π 2 sin A 2 = sin N + 1 2 A π 2 sin A 2
225 218 53 195 mulassd φ π 2 sin A 2 = π 2 sin A 2
226 218 53 mulcomd φ π 2 = 2 π
227 226 oveq1d φ π 2 sin A 2 = 2 π sin A 2
228 225 227 eqtr3d φ π 2 sin A 2 = 2 π sin A 2
229 228 oveq2d φ sin N + 1 2 A π 2 sin A 2 = sin N + 1 2 A 2 π sin A 2
230 224 229 eqtrd φ sin N + 1 2 A π 2 sin A 2 = sin N + 1 2 A 2 π sin A 2
231 216 223 230 3eqtrd φ 1 2 + n = 1 N cos n A π = sin N + 1 2 A 2 π sin A 2