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Theorem dirkertrigeqlem1

Description: Sum of an even number of alternating cos values. (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019)

Ref Expression
Assertion dirkertrigeqlem1 ⊢ K ∈ ℕ → ∑ n = 1 2 ⁢ K cos ⁡ n ⁢ π = 0

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 oveq2 ⊢ x = 1 → 2 ⁢ x = 2 ⋅ 1
2 1 oveq2d ⊢ x = 1 → 1 … 2 ⁢ x = 1 … 2 ⋅ 1
3 2 sumeq1d ⊢ x = 1 → ∑ n = 1 2 ⁢ x cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⋅ 1 cos ⁡ n ⁢ π
4 3 eqeq1d ⊢ x = 1 → ∑ n = 1 2 ⁢ x cos ⁡ n ⁢ π = 0 ↔ ∑ n = 1 2 ⋅ 1 cos ⁡ n ⁢ π = 0
5 oveq2 ⊢ x = y → 2 ⁢ x = 2 ⁢ y
6 5 oveq2d ⊢ x = y → 1 … 2 ⁢ x = 1 … 2 ⁢ y
7 6 sumeq1d ⊢ x = y → ∑ n = 1 2 ⁢ x cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π
8 7 eqeq1d ⊢ x = y → ∑ n = 1 2 ⁢ x cos ⁡ n ⁢ π = 0 ↔ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0
9 oveq2 ⊢ x = y + 1 → 2 ⁢ x = 2 ⁢ y + 1
10 9 oveq2d ⊢ x = y + 1 → 1 … 2 ⁢ x = 1 … 2 ⁢ y + 1
11 10 sumeq1d ⊢ x = y + 1 → ∑ n = 1 2 ⁢ x cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π
12 11 eqeq1d ⊢ x = y + 1 → ∑ n = 1 2 ⁢ x cos ⁡ n ⁢ π = 0 ↔ ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π = 0
13 oveq2 ⊢ x = K → 2 ⁢ x = 2 ⁢ K
14 13 oveq2d ⊢ x = K → 1 … 2 ⁢ x = 1 … 2 ⁢ K
15 14 sumeq1d ⊢ x = K → ∑ n = 1 2 ⁢ x cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ K cos ⁡ n ⁢ π
16 15 eqeq1d ⊢ x = K → ∑ n = 1 2 ⁢ x cos ⁡ n ⁢ π = 0 ↔ ∑ n = 1 2 ⁢ K cos ⁡ n ⁢ π = 0
17 ax-1cn ⊢ 1 ∈ ℂ
18 17 2timesi ⊢ 2 ⋅ 1 = 1 + 1
19 18 oveq2i ⊢ 1 … 2 ⋅ 1 = 1 … 1 + 1
20 19 sumeq1i ⊢ ∑ n = 1 2 ⋅ 1 cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 1 + 1 cos ⁡ n ⁢ π
21 1z ⊢ 1 ∈ ℤ
22 uzid ⊢ 1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ ≥ 1
23 21 22 ax-mp ⊢ 1 ∈ ℤ ≥ 1
24 23 a1i ⊢ ⊤ → 1 ∈ ℤ ≥ 1
25 elfzelz ⊢ n ∈ 1 … 1 + 1 → n ∈ ℤ
26 25 zcnd ⊢ n ∈ 1 … 1 + 1 → n ∈ ℂ
27 26 adantl ⊢ ⊤ ∧ n ∈ 1 … 1 + 1 → n ∈ ℂ
28 picn ⊢ π ∈ ℂ
29 28 a1i ⊢ ⊤ ∧ n ∈ 1 … 1 + 1 → π ∈ ℂ
30 27 29 mulcld ⊢ ⊤ ∧ n ∈ 1 … 1 + 1 → n ⁢ π ∈ ℂ
31 30 coscld ⊢ ⊤ ∧ n ∈ 1 … 1 + 1 → cos ⁡ n ⁢ π ∈ ℂ
32 id ⊢ n = 1 + 1 → n = 1 + 1
33 1p1e2 ⊢ 1 + 1 = 2
34 32 33 eqtrdi ⊢ n = 1 + 1 → n = 2
35 34 fvoveq1d ⊢ n = 1 + 1 → cos ⁡ n ⁢ π = cos ⁡ 2 ⁢ π
36 24 31 35 fsump1 ⊢ ⊤ → ∑ n = 1 1 + 1 cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 1 cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ π
37 36 mptru ⊢ ∑ n = 1 1 + 1 cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 1 cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ π
38 coscl ⊢ π ∈ ℂ → cos ⁡ π ∈ ℂ
39 28 38 ax-mp ⊢ cos ⁡ π ∈ ℂ
40 oveq1 ⊢ n = 1 → n ⁢ π = 1 ⁢ π
41 28 mullidi ⊢ 1 ⁢ π = π
42 40 41 eqtrdi ⊢ n = 1 → n ⁢ π = π
43 42 fveq2d ⊢ n = 1 → cos ⁡ n ⁢ π = cos ⁡ π
44 43 fsum1 ⊢ 1 ∈ ℤ ∧ cos ⁡ π ∈ ℂ → ∑ n = 1 1 cos ⁡ n ⁢ π = cos ⁡ π
45 21 39 44 mp2an ⊢ ∑ n = 1 1 cos ⁡ n ⁢ π = cos ⁡ π
46 cospi ⊢ cos ⁡ π = − 1
47 45 46 eqtri ⊢ ∑ n = 1 1 cos ⁡ n ⁢ π = − 1
48 cos2pi ⊢ cos ⁡ 2 ⁢ π = 1
49 47 48 oveq12i ⊢ ∑ n = 1 1 cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ π = - 1 + 1
50 neg1cn ⊢ − 1 ∈ ℂ
51 1pneg1e0 ⊢ 1 + -1 = 0
52 17 50 51 addcomli ⊢ - 1 + 1 = 0
53 37 49 52 3eqtri ⊢ ∑ n = 1 1 + 1 cos ⁡ n ⁢ π = 0
54 20 53 eqtri ⊢ ∑ n = 1 2 ⋅ 1 cos ⁡ n ⁢ π = 0
55 18 oveq2i ⊢ 2 ⁢ y + 2 ⋅ 1 = 2 ⁢ y + 1 + 1
56 2cnd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ∈ ℂ
57 nncn ⊢ y ∈ ℕ → y ∈ ℂ
58 17 a1i ⊢ y ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ
59 56 57 58 adddid ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 = 2 ⁢ y + 2 ⋅ 1
60 56 57 mulcld ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ∈ ℂ
61 60 58 58 addassd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 + 1 = 2 ⁢ y + 1 + 1
62 55 59 61 3eqtr4a ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 = 2 ⁢ y + 1 + 1
63 62 oveq2d ⊢ y ∈ ℕ → 1 … 2 ⁢ y + 1 = 1 … 2 ⁢ y + 1 + 1
64 63 sumeq1d ⊢ y ∈ ℕ → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 + 1 cos ⁡ n ⁢ π
65 64 adantr ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 + 1 cos ⁡ n ⁢ π
66 1red ⊢ y ∈ ℕ → 1 ∈ ℝ
67 2re ⊢ 2 ∈ ℝ
68 67 a1i ⊢ y ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ
69 nnre ⊢ y ∈ ℕ → y ∈ ℝ
70 68 69 remulcld ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ∈ ℝ
71 70 66 readdcld ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ∈ ℝ
72 2rp ⊢ 2 ∈ ℝ +
73 72 a1i ⊢ y ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ +
74 nnrp ⊢ y ∈ ℕ → y ∈ ℝ +
75 73 74 rpmulcld ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ∈ ℝ +
76 66 75 ltaddrp2d ⊢ y ∈ ℕ → 1 < 2 ⁢ y + 1
77 66 71 76 ltled ⊢ y ∈ ℕ → 1 ≤ 2 ⁢ y + 1
78 2z ⊢ 2 ∈ ℤ
79 78 a1i ⊢ y ∈ ℕ → 2 ∈ ℤ
80 nnz ⊢ y ∈ ℕ → y ∈ ℤ
81 79 80 zmulcld ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ∈ ℤ
82 81 peano2zd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ∈ ℤ
83 eluz ⊢ 1 ∈ ℤ ∧ 2 ⁢ y + 1 ∈ ℤ → 2 ⁢ y + 1 ∈ ℤ ≥ 1 ↔ 1 ≤ 2 ⁢ y + 1
84 21 82 83 sylancr ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ∈ ℤ ≥ 1 ↔ 1 ≤ 2 ⁢ y + 1
85 77 84 mpbird ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ∈ ℤ ≥ 1
86 elfzelz ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 + 1 → n ∈ ℤ
87 86 zcnd ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 + 1 → n ∈ ℂ
88 28 a1i ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 + 1 → π ∈ ℂ
89 87 88 mulcld ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 + 1 → n ⁢ π ∈ ℂ
90 89 coscld ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 + 1 → cos ⁡ n ⁢ π ∈ ℂ
91 90 adantl ⊢ y ∈ ℕ ∧ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 + 1 → cos ⁡ n ⁢ π ∈ ℂ
92 fvoveq1 ⊢ n = 2 ⁢ y + 1 + 1 → cos ⁡ n ⁢ π = cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 + 1 ⁢ π
93 85 91 92 fsump1 ⊢ y ∈ ℕ → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 + 1 cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 + 1 ⁢ π
94 93 adantr ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 + 1 cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 + 1 ⁢ π
95 1lt2 ⊢ 1 < 2
96 95 a1i ⊢ y ∈ ℕ → 1 < 2
97 2t1e2 ⊢ 2 ⋅ 1 = 2
98 nnge1 ⊢ y ∈ ℕ → 1 ≤ y
99 66 69 73 lemul2d ⊢ y ∈ ℕ → 1 ≤ y ↔ 2 ⋅ 1 ≤ 2 ⁢ y
100 98 99 mpbid ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⋅ 1 ≤ 2 ⁢ y
101 97 100 eqbrtrrid ⊢ y ∈ ℕ → 2 ≤ 2 ⁢ y
102 66 68 70 96 101 ltletrd ⊢ y ∈ ℕ → 1 < 2 ⁢ y
103 66 70 102 ltled ⊢ y ∈ ℕ → 1 ≤ 2 ⁢ y
104 eluz ⊢ 1 ∈ ℤ ∧ 2 ⁢ y ∈ ℤ → 2 ⁢ y ∈ ℤ ≥ 1 ↔ 1 ≤ 2 ⁢ y
105 21 81 104 sylancr ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ∈ ℤ ≥ 1 ↔ 1 ≤ 2 ⁢ y
106 103 105 mpbird ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ∈ ℤ ≥ 1
107 elfzelz ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 → n ∈ ℤ
108 107 zcnd ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 → n ∈ ℂ
109 28 a1i ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 → π ∈ ℂ
110 108 109 mulcld ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 → n ⁢ π ∈ ℂ
111 110 coscld ⊢ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 → cos ⁡ n ⁢ π ∈ ℂ
112 111 adantl ⊢ y ∈ ℕ ∧ n ∈ 1 … 2 ⁢ y + 1 → cos ⁡ n ⁢ π ∈ ℂ
113 fvoveq1 ⊢ n = 2 ⁢ y + 1 → cos ⁡ n ⁢ π = cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π
114 106 112 113 fsump1 ⊢ y ∈ ℕ → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π
115 33 97 eqtr4i ⊢ 1 + 1 = 2 ⋅ 1
116 115 a1i ⊢ y ∈ ℕ → 1 + 1 = 2 ⋅ 1
117 116 oveq2d ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 + 1 = 2 ⁢ y + 2 ⋅ 1
118 117 61 59 3eqtr4d ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 + 1 = 2 ⁢ y + 1
119 118 fvoveq1d ⊢ y ∈ ℕ → cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 + 1 ⁢ π = cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π
120 57 58 addcld ⊢ y ∈ ℕ → y + 1 ∈ ℂ
121 28 a1i ⊢ y ∈ ℕ → π ∈ ℂ
122 56 120 121 mulassd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = 2 ⁢ y + 1 ⁢ π
123 122 oveq1d ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ⁢ π 2 ⁢ π = 2 ⁢ y + 1 ⁢ π 2 ⁢ π
124 120 121 mulcld ⊢ y ∈ ℕ → y + 1 ⁢ π ∈ ℂ
125 0re ⊢ 0 ∈ ℝ
126 pipos ⊢ 0 < π
127 125 126 gtneii ⊢ π ≠ 0
128 127 a1i ⊢ y ∈ ℕ → π ≠ 0
129 73 rpne0d ⊢ y ∈ ℕ → 2 ≠ 0
130 124 121 56 128 129 divcan5d ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ⁢ π 2 ⁢ π = y + 1 ⁢ π π
131 120 121 128 divcan4d ⊢ y ∈ ℕ → y + 1 ⁢ π π = y + 1
132 123 130 131 3eqtrd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ⁢ π 2 ⁢ π = y + 1
133 80 peano2zd ⊢ y ∈ ℕ → y + 1 ∈ ℤ
134 132 133 eqeltrd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ⁢ π 2 ⁢ π ∈ ℤ
135 peano2cn ⊢ y ∈ ℂ → y + 1 ∈ ℂ
136 57 135 syl ⊢ y ∈ ℕ → y + 1 ∈ ℂ
137 56 136 mulcld ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ∈ ℂ
138 137 121 mulcld ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ⁢ π ∈ ℂ
139 coseq1 ⊢ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π ∈ ℂ → cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = 1 ↔ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π 2 ⁢ π ∈ ℤ
140 138 139 syl ⊢ y ∈ ℕ → cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = 1 ↔ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π 2 ⁢ π ∈ ℤ
141 134 140 mpbird ⊢ y ∈ ℕ → cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = 1
142 119 141 eqtrd ⊢ y ∈ ℕ → cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 + 1 ⁢ π = 1
143 114 142 oveq12d ⊢ y ∈ ℕ → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 + 1 ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π + 1
144 143 adantr ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 + 1 ⁢ π = ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π + 1
145 simpr ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0
146 60 58 121 adddird ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = 2 ⁢ y ⁢ π + 1 ⁢ π
147 60 121 mulcld ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ⁢ π ∈ ℂ
148 41 121 eqeltrid ⊢ y ∈ ℕ → 1 ⁢ π ∈ ℂ
149 147 148 addcomd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ⁢ π + 1 ⁢ π = 1 ⁢ π + 2 ⁢ y ⁢ π
150 41 a1i ⊢ y ∈ ℕ → 1 ⁢ π = π
151 56 57 mulcomd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y = y ⋅ 2
152 151 oveq1d ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ⁢ π = y ⋅ 2 ⁢ π
153 57 56 121 mulassd ⊢ y ∈ ℕ → y ⋅ 2 ⁢ π = y ⁢ 2 ⁢ π
154 152 153 eqtrd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y ⁢ π = y ⁢ 2 ⁢ π
155 150 154 oveq12d ⊢ y ∈ ℕ → 1 ⁢ π + 2 ⁢ y ⁢ π = π + y ⁢ 2 ⁢ π
156 146 149 155 3eqtrd ⊢ y ∈ ℕ → 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = π + y ⁢ 2 ⁢ π
157 156 fveq2d ⊢ y ∈ ℕ → cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = cos ⁡ π + y ⁢ 2 ⁢ π
158 cosper ⊢ π ∈ ℂ ∧ y ∈ ℤ → cos ⁡ π + y ⁢ 2 ⁢ π = cos ⁡ π
159 28 80 158 sylancr ⊢ y ∈ ℕ → cos ⁡ π + y ⁢ 2 ⁢ π = cos ⁡ π
160 46 a1i ⊢ y ∈ ℕ → cos ⁡ π = − 1
161 157 159 160 3eqtrd ⊢ y ∈ ℕ → cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = − 1
162 161 adantr ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = − 1
163 145 162 oveq12d ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π = 0 + -1
164 163 oveq1d ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π + 1 = 0 + -1 + 1
165 50 addlidi ⊢ 0 + -1 = − 1
166 165 oveq1i ⊢ 0 + -1 + 1 = - 1 + 1
167 166 52 eqtri ⊢ 0 + -1 + 1 = 0
168 164 167 eqtrdi ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 ⁢ π + 1 = 0
169 144 168 eqtrd ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π + cos ⁡ 2 ⁢ y + 1 + 1 ⁢ π = 0
170 65 94 169 3eqtrd ⊢ y ∈ ℕ ∧ ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π = 0
171 170 ex ⊢ y ∈ ℕ → ∑ n = 1 2 ⁢ y cos ⁡ n ⁢ π = 0 → ∑ n = 1 2 ⁢ y + 1 cos ⁡ n ⁢ π = 0
172 4 8 12 16 54 171 nnind ⊢ K ∈ ℕ → ∑ n = 1 2 ⁢ K cos ⁡ n ⁢ π = 0