Metamath Proof Explorer


Theorem itgsinexp

Description: A recursive formula for the integral of sin^N on the interval (0,π) . (Contributed by Glauco Siliprandi, 29-Jun-2017)

Ref Expression
Hypotheses itgsinexp.1 I=n00πsinxndx
itgsinexp.2 φN2
Assertion itgsinexp φIN=N1NIN2

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 itgsinexp.1 I=n00πsinxndx
2 itgsinexp.2 φN2
3 eluzelz N2N
4 zcn NN
5 2 3 4 3syl φN
6 1cnd φ1
7 5 6 npcand φN-1+1=N
8 7 eqcomd φN=N-1+1
9 8 oveq1d φNIN=N-1+1IN
10 uz2m1nn N2N1
11 2 10 syl φN1
12 11 nncnd φN1
13 1 a1i φI=n00πsinxndx
14 oveq2 n=Nsinxn=sinxN
15 14 ad2antlr φn=Nx0πsinxn=sinxN
16 15 itgeq2dv φn=N0πsinxndx=0πsinxNdx
17 2cnd φ2
18 npcan N2N-2+2=N
19 18 eqcomd N2N=N-2+2
20 5 17 19 syl2anc φN=N-2+2
21 uznn0sub N2N20
22 2 21 syl φN20
23 2nn0 20
24 23 a1i φ20
25 22 24 nn0addcld φN-2+20
26 20 25 eqeltrd φN0
27 itgex 0πsinxNdxV
28 27 a1i φ0πsinxNdxV
29 13 16 26 28 fvmptd φIN=0πsinxNdx
30 ioosscn 0π
31 30 sseli x0πx
32 31 sincld x0πsinx
33 32 adantl φx0πsinx
34 26 adantr φx0πN0
35 33 34 expcld φx0πsinxN
36 ioossicc 0π0π
37 36 a1i φ0π0π
38 ioombl 0πdomvol
39 38 a1i φ0πdomvol
40 0re 0
41 pire π
42 iccssre 0π0π
43 40 41 42 mp2an 0π
44 ax-resscn
45 43 44 sstri 0π
46 45 sseli x0πx
47 46 sincld x0πsinx
48 47 adantl φx0πsinx
49 26 adantr φx0πN0
50 48 49 expcld φx0πsinxN
51 40 a1i φ0
52 41 a1i φπ
53 46 adantl φx0πx
54 eqid xsinxN=xsinxN
55 54 fvmpt2 xsinxNxsinxNx=sinxN
56 53 50 55 syl2anc φx0πxsinxNx=sinxN
57 56 eqcomd φx0πsinxN=xsinxNx
58 57 mpteq2dva φx0πsinxN=x0πxsinxNx
59 nfmpt1 _xxsinxN
60 nfcv _xsin
61 sincn sin:cn
62 61 a1i φsin:cn
63 60 62 26 expcnfg φxsinxN:cn
64 45 a1i φ0π
65 59 63 64 cncfmptss φx0πxsinxNx:0πcn
66 58 65 eqeltrd φx0πsinxN:0πcn
67 cniccibl 0πx0πsinxN:0πcnx0πsinxN𝐿1
68 51 52 66 67 syl3anc φx0πsinxN𝐿1
69 37 39 50 68 iblss φx0πsinxN𝐿1
70 35 69 itgcl φ0πsinxNdx
71 29 70 eqeltrd φIN
72 12 71 adddirp1d φN-1+1IN=N1IN+IN
73 eluz2b2 N2N1<N
74 2 73 sylib φN1<N
75 74 simpld φN
76 expm1t sinxNsinxN=sinxN1sinx
77 32 75 76 syl2anr φx0πsinxN=sinxN1sinx
78 77 itgeq2dv φ0πsinxNdx=0πsinxN1sinxdx
79 eqid xsinxN1=xsinxN1
80 eqid xcosx=xcosx
81 eqid xN1sinxN-1-1cosx=xN1sinxN-1-1cosx
82 eqid xsinxN1sinx=xsinxN1sinx
83 eqid xN1sinxN-1-1cosxcosx=xN1sinxN-1-1cosxcosx
84 eqid xcosx2sinxN-1-1=xcosx2sinxN-1-1
85 79 80 81 82 83 84 11 itgsinexplem1 φ0πsinxN1sinxdx=N10πcosx2sinxN-1-1dx
86 5 6 6 subsub4d φN-1-1=N1+1
87 1p1e2 1+1=2
88 87 a1i φ1+1=2
89 88 oveq2d φN1+1=N2
90 86 89 eqtrd φN-1-1=N2
91 90 adantr φx0πN-1-1=N2
92 91 oveq2d φx0πsinxN-1-1=sinxN2
93 92 oveq2d φx0πcosx2sinxN-1-1=cosx2sinxN2
94 93 itgeq2dv φ0πcosx2sinxN-1-1dx=0πcosx2sinxN2dx
95 94 oveq2d φN10πcosx2sinxN-1-1dx=N10πcosx2sinxN2dx
96 sincossq xsinx2+cosx2=1
97 1cnd x1
98 sincl xsinx
99 98 sqcld xsinx2
100 coscl xcosx
101 100 sqcld xcosx2
102 97 99 101 subaddd x1sinx2=cosx2sinx2+cosx2=1
103 96 102 mpbird x1sinx2=cosx2
104 103 eqcomd xcosx2=1sinx2
105 31 104 syl x0πcosx2=1sinx2
106 105 oveq1d x0πcosx2sinxN2=1sinx2sinxN2
107 106 adantl φx0πcosx2sinxN2=1sinx2sinxN2
108 107 itgeq2dv φ0πcosx2sinxN2dx=0π1sinx2sinxN2dx
109 1cnd φx0π1
110 32 sqcld x0πsinx2
111 110 adantl φx0πsinx2
112 90 eqcomd φN2=N-1-1
113 nnm1nn0 N1N-1-10
114 11 113 syl φN-1-10
115 112 114 eqeltrd φN20
116 115 adantr φx0πN20
117 33 116 expcld φx0πsinxN2
118 109 111 117 subdird φx0π1sinx2sinxN2=1sinxN2sinx2sinxN2
119 117 mullidd φx0π1sinxN2=sinxN2
120 23 a1i φx0π20
121 33 116 120 expaddd φx0πsinx2+N-2=sinx2sinxN2
122 17 5 pncan3d φ2+N-2=N
123 122 oveq2d φsinx2+N-2=sinxN
124 123 adantr φx0πsinx2+N-2=sinxN
125 121 124 eqtr3d φx0πsinx2sinxN2=sinxN
126 119 125 oveq12d φx0π1sinxN2sinx2sinxN2=sinxN2sinxN
127 118 126 eqtrd φx0π1sinx2sinxN2=sinxN2sinxN
128 127 itgeq2dv φ0π1sinx2sinxN2dx=0πsinxN2sinxNdx
129 115 adantr φx0πN20
130 48 129 expcld φx0πsinxN2
131 eqid xsinxN2=xsinxN2
132 131 fvmpt2 xsinxN2xsinxN2x=sinxN2
133 53 130 132 syl2anc φx0πxsinxN2x=sinxN2
134 133 eqcomd φx0πsinxN2=xsinxN2x
135 134 mpteq2dva φx0πsinxN2=x0πxsinxN2x
136 nfmpt1 _xxsinxN2
137 60 62 115 expcnfg φxsinxN2:cn
138 136 137 64 cncfmptss φx0πxsinxN2x:0πcn
139 135 138 eqeltrd φx0πsinxN2:0πcn
140 cniccibl 0πx0πsinxN2:0πcnx0πsinxN2𝐿1
141 51 52 139 140 syl3anc φx0πsinxN2𝐿1
142 37 39 130 141 iblss φx0πsinxN2𝐿1
143 117 142 35 69 itgsub φ0πsinxN2sinxNdx=0πsinxN2dx0πsinxNdx
144 108 128 143 3eqtrd φ0πcosx2sinxN2dx=0πsinxN2dx0πsinxNdx
145 144 oveq2d φN10πcosx2sinxN2dx=N10πsinxN2dx0πsinxNdx
146 85 95 145 3eqtrd φ0πsinxN1sinxdx=N10πsinxN2dx0πsinxNdx
147 29 78 146 3eqtrd φIN=N10πsinxN2dx0πsinxNdx
148 oveq2 n=N2sinxn=sinxN2
149 148 adantr n=N2x0πsinxn=sinxN2
150 149 itgeq2dv n=N20πsinxndx=0πsinxN2dx
151 itgex 0πsinxN2dxV
152 151 a1i φ0πsinxN2dxV
153 1 150 115 152 fvmptd3 φIN2=0πsinxN2dx
154 153 29 oveq12d φIN2IN=0πsinxN2dx0πsinxNdx
155 154 oveq2d φN1IN2IN=N10πsinxN2dx0πsinxNdx
156 117 142 itgcl φ0πsinxN2dx
157 153 156 eqeltrd φIN2
158 12 157 71 subdid φN1IN2IN=N1IN2N1IN
159 147 155 158 3eqtr2d φIN=N1IN2N1IN
160 159 eqcomd φN1IN2N1IN=IN
161 12 157 mulcld φN1IN2
162 12 71 mulcld φN1IN
163 161 162 71 subaddd φN1IN2N1IN=INN1IN+IN=N1IN2
164 160 163 mpbid φN1IN+IN=N1IN2
165 9 72 164 3eqtrd φNIN=N1IN2
166 165 oveq1d φNINN=N1IN2N
167 75 nnne0d φN0
168 71 5 167 divcan3d φNINN=IN
169 12 157 5 167 div23d φN1IN2N=N1NIN2
170 166 168 169 3eqtr3d φIN=N1NIN2