Metamath Proof Explorer


Theorem fsumkthpow

Description: A closed-form expression for the sum of K -th powers. (Contributed by Scott Fenton, 16-May-2014) This is Metamath 100 proof #77. (Revised by Mario Carneiro, 16-Jun-2014)

Ref Expression
Assertion fsumkthpow ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) = ( ( ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘€ + 1 ) ) โˆ’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly 0 ) ) / ( ๐พ + 1 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nn0p1nn โŠข ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐พ + 1 ) โˆˆ โ„• )
2 1 adantr โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐พ + 1 ) โˆˆ โ„• )
3 2 nncnd โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐พ + 1 ) โˆˆ โ„‚ )
4 fzfid โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( 0 ... ๐‘€ ) โˆˆ Fin )
5 elfzelz โŠข ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„ค )
6 5 zcnd โŠข ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„‚ )
7 simpl โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐พ โˆˆ โ„•0 )
8 expcl โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„‚ โˆง ๐พ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) โˆˆ โ„‚ )
9 6 7 8 syl2anr โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ) โ†’ ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) โˆˆ โ„‚ )
10 4 9 fsumcl โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) โˆˆ โ„‚ )
11 2 nnne0d โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐พ + 1 ) โ‰  0 )
12 4 3 9 fsummulc2 โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) ยท ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) ) = ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ( ( ๐พ + 1 ) ยท ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) ) )
13 bpolydif โŠข ( ( ( ๐พ + 1 ) โˆˆ โ„• โˆง ๐‘› โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘› + 1 ) ) โˆ’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘› ) ) = ( ( ๐พ + 1 ) ยท ( ๐‘› โ†‘ ( ( ๐พ + 1 ) โˆ’ 1 ) ) ) )
14 2 6 13 syl2an โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ) โ†’ ( ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘› + 1 ) ) โˆ’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘› ) ) = ( ( ๐พ + 1 ) ยท ( ๐‘› โ†‘ ( ( ๐พ + 1 ) โˆ’ 1 ) ) ) )
15 nn0cn โŠข ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐พ โˆˆ โ„‚ )
16 15 ad2antrr โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ) โ†’ ๐พ โˆˆ โ„‚ )
17 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
18 pncan โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) โˆ’ 1 ) = ๐พ )
19 16 17 18 sylancl โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ) โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) โˆ’ 1 ) = ๐พ )
20 19 oveq2d โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ) โ†’ ( ๐‘› โ†‘ ( ( ๐พ + 1 ) โˆ’ 1 ) ) = ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) )
21 20 oveq2d โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ) โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) ยท ( ๐‘› โ†‘ ( ( ๐พ + 1 ) โˆ’ 1 ) ) ) = ( ( ๐พ + 1 ) ยท ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) ) )
22 14 21 eqtrd โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ) โ†’ ( ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘› + 1 ) ) โˆ’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘› ) ) = ( ( ๐พ + 1 ) ยท ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) ) )
23 22 sumeq2dv โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ( ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘› + 1 ) ) โˆ’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘› ) ) = ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ( ( ๐พ + 1 ) ยท ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) ) )
24 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘› โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘˜ ) = ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘› ) )
25 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ( ๐‘› + 1 ) โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘˜ ) = ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘› + 1 ) ) )
26 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = 0 โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘˜ ) = ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly 0 ) )
27 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ( ๐‘€ + 1 ) โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘˜ ) = ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘€ + 1 ) ) )
28 nn0z โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„ค )
29 28 adantl โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„ค )
30 peano2nn0 โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐‘€ + 1 ) โˆˆ โ„•0 )
31 30 adantl โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘€ + 1 ) โˆˆ โ„•0 )
32 nn0uz โŠข โ„•0 = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 0 )
33 31 32 eleqtrdi โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘€ + 1 ) โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 0 ) )
34 peano2nn0 โŠข ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐พ + 1 ) โˆˆ โ„•0 )
35 34 ad2antrr โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘€ + 1 ) ) ) โ†’ ( ๐พ + 1 ) โˆˆ โ„•0 )
36 elfznn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘€ + 1 ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
37 36 adantl โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘€ + 1 ) ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
38 37 nn0cnd โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘€ + 1 ) ) ) โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ )
39 bpolycl โŠข ( ( ( ๐พ + 1 ) โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
40 35 38 39 syl2anc โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ ( 0 ... ( ๐‘€ + 1 ) ) ) โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
41 24 25 26 27 29 33 40 telfsum2 โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ( ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘› + 1 ) ) โˆ’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ๐‘› ) ) = ( ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘€ + 1 ) ) โˆ’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly 0 ) ) )
42 12 23 41 3eqtr2d โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐พ + 1 ) ยท ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) ) = ( ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘€ + 1 ) ) โˆ’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly 0 ) ) )
43 3 10 11 42 mvllmuld โŠข ( ( ๐พ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ฮฃ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘€ ) ( ๐‘› โ†‘ ๐พ ) = ( ( ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly ( ๐‘€ + 1 ) ) โˆ’ ( ( ๐พ + 1 ) BernPoly 0 ) ) / ( ๐พ + 1 ) ) )