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Theorem phisum

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

Ref Expression
Assertion phisum N d x | x N ϕ d = N

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 breq1 x = y x N y N
2 1 elrab y x | x N y y N
3 hashgcdeq N y z 0 ..^ N | z gcd N = y = if y N ϕ N y 0
4 3 adantrr N y y N z 0 ..^ N | z gcd N = y = if y N ϕ N y 0
5 iftrue y N if y N ϕ N y 0 = ϕ N y
6 5 ad2antll N y y N if y N ϕ N y 0 = ϕ N y
7 4 6 eqtrd N y y N z 0 ..^ N | z gcd N = y = ϕ N y
8 2 7 sylan2b N y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y = ϕ N y
9 8 sumeq2dv N y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y = y x | x N ϕ N y
10 dvdsfi N x | x N Fin
11 fzofi 0 ..^ N Fin
12 ssrab2 z 0 ..^ N | z gcd N = y 0 ..^ N
13 ssfi 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 z 0 ..^ N | z gcd N = y Fin
15 14 a1i N y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y Fin
16 oveq1 z = w z gcd N = w gcd N
17 16 eqeq1d z = w z gcd N = y w gcd N = y
18 17 elrab w z 0 ..^ N | z gcd N = y w 0 ..^ N w gcd N = y
19 18 simprbi w z 0 ..^ N | z gcd N = y w gcd N = y
20 19 rgen w z 0 ..^ N | z gcd N = y w gcd N = y
21 20 rgenw y x | x N w z 0 ..^ N | z gcd N = y w gcd N = y
22 invdisj y x | x N w z 0 ..^ N | z gcd N = y w gcd N = y Disj y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y
23 21 22 mp1i N Disj y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y
24 10 15 23 hashiun N y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y = y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y
25 fveq2 d = N y ϕ d = ϕ N y
26 eqid x | x N = x | x N
27 eqid z x | x N N z = z x | x N N z
28 26 27 dvdsflip N z x | x N N z : x | x N 1-1 onto x | x N
29 oveq2 z = y N z = N y
30 ovex N y V
31 29 27 30 fvmpt y x | x N z x | x N N z y = N y
32 31 adantl N y x | x N z x | x N N z y = N y
33 elrabi d x | x N d
34 33 adantl N d x | x N d
35 34 phicld N d x | x N ϕ d
36 35 nncnd N d x | x N ϕ d
37 25 10 28 32 36 fsumf1o N d x | x N ϕ d = y x | x N ϕ N y
38 9 24 37 3eqtr4rd N d x | x N ϕ d = y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y
39 iunrab y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y = z 0 ..^ N | y x | x N z gcd N = y
40 breq1 x = z gcd N x N z gcd N N
41 elfzoelz z 0 ..^ N z
42 41 adantl N z 0 ..^ N z
43 nnz N N
44 43 adantr N z 0 ..^ N N
45 nnne0 N N 0
46 45 neneqd N ¬ N = 0
47 46 intnand N ¬ z = 0 N = 0
48 47 adantr N z 0 ..^ N ¬ z = 0 N = 0
49 gcdn0cl z N ¬ z = 0 N = 0 z gcd N
50 42 44 48 49 syl21anc N z 0 ..^ N z gcd N
51 gcddvds z N z gcd N z z gcd N N
52 42 44 51 syl2anc N z 0 ..^ N z gcd N z z gcd N N
53 52 simprd N z 0 ..^ N z gcd N N
54 40 50 53 elrabd N z 0 ..^ N z gcd N x | x N
55 clel5 z gcd N x | x N y x | x N z gcd N = y
56 54 55 sylib N z 0 ..^ N y x | x N z gcd N = y
57 56 ralrimiva N z 0 ..^ N y x | x N z gcd N = y
58 rabid2 0 ..^ N = z 0 ..^ N | y x | x N z gcd N = y z 0 ..^ N y x | x N z gcd N = y
59 57 58 sylibr N 0 ..^ N = z 0 ..^ N | y x | x N z gcd N = y
60 39 59 eqtr4id N y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y = 0 ..^ N
61 60 fveq2d N y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y = 0 ..^ N
62 nnnn0 N N 0
63 hashfzo0 N 0 0 ..^ N = N
64 62 63 syl N 0 ..^ N = N
65 61 64 eqtrd N y x | x N z 0 ..^ N | z gcd N = y = N
66 38 65 eqtrd N d x | x N ϕ d = N