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 = n ∈ ℕ 0 ⟼ ∫ 0 π sin ⁡ x n dx
itgsinexp.2 ⊢ φ → N ∈ ℤ ≥ 2
Assertion itgsinexp ⊢ φ → I ⁡ N = N − 1 N ⁢ I ⁡ N − 2

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 itgsinexp.1 ⊢ I = n ∈ ℕ 0 ⟼ ∫ 0 π sin ⁡ x n dx
2 itgsinexp.2 ⊢ φ → N ∈ ℤ ≥ 2
3 eluzelz ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N ∈ ℤ
4 zcn ⊢ N ∈ ℤ → N ∈ ℂ
5 2 3 4 3syl ⊢ φ → N ∈ ℂ
6 1cnd ⊢ φ → 1 ∈ ℂ
7 5 6 npcand ⊢ φ → N - 1 + 1 = N
8 7 eqcomd ⊢ φ → N = N - 1 + 1
9 8 oveq1d ⊢ φ → N ⁢ I ⁡ N = N - 1 + 1 ⁢ I ⁡ N
10 uz2m1nn ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N − 1 ∈ ℕ
11 2 10 syl ⊢ φ → N − 1 ∈ ℕ
12 11 nncnd ⊢ φ → N − 1 ∈ ℂ
13 1 a1i ⊢ φ → I = n ∈ ℕ 0 ⟼ ∫ 0 π sin ⁡ x n dx
14 oveq2 ⊢ n = N → sin ⁡ x n = sin ⁡ x N
15 14 ad2antlr ⊢ φ ∧ n = N ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x n = sin ⁡ x N
16 15 itgeq2dv ⊢ φ ∧ n = N → ∫ 0 π sin ⁡ x n dx = ∫ 0 π sin ⁡ x N dx
17 2cnd ⊢ φ → 2 ∈ ℂ
18 npcan ⊢ N ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ → N - 2 + 2 = N
19 18 eqcomd ⊢ N ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ → N = N - 2 + 2
20 5 17 19 syl2anc ⊢ φ → N = N - 2 + 2
21 uznn0sub ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N − 2 ∈ ℕ 0
22 2 21 syl ⊢ φ → N − 2 ∈ ℕ 0
23 2nn0 ⊢ 2 ∈ ℕ 0
24 23 a1i ⊢ φ → 2 ∈ ℕ 0
25 22 24 nn0addcld ⊢ φ → N - 2 + 2 ∈ ℕ 0
26 20 25 eqeltrd ⊢ φ → N ∈ ℕ 0
27 itgex ⊢ ∫ 0 π sin ⁡ x N dx ∈ V
28 27 a1i ⊢ φ → ∫ 0 π sin ⁡ x N dx ∈ V
29 13 16 26 28 fvmptd ⊢ φ → I ⁡ N = ∫ 0 π sin ⁡ x N dx
30 ioosscn ⊢ 0 π ⊆ ℂ
31 30 sseli ⊢ x ∈ 0 π → x ∈ ℂ
32 31 sincld ⊢ x ∈ 0 π → sin ⁡ x ∈ ℂ
33 32 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x ∈ ℂ
34 26 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → N ∈ ℕ 0
35 33 34 expcld ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x N ∈ ℂ
36 ioossicc ⊢ 0 π ⊆ 0 π
37 36 a1i ⊢ φ → 0 π ⊆ 0 π
38 ioombl ⊢ 0 π ∈ dom ⁡ vol
39 38 a1i ⊢ φ → 0 π ∈ dom ⁡ vol
40 0re ⊢ 0 ∈ ℝ
41 pire ⊢ π ∈ ℝ
42 iccssre ⊢ 0 ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ → 0 π ⊆ ℝ
43 40 41 42 mp2an ⊢ 0 π ⊆ ℝ
44 ax-resscn ⊢ ℝ ⊆ ℂ
45 43 44 sstri ⊢ 0 π ⊆ ℂ
46 45 sseli ⊢ x ∈ 0 π → x ∈ ℂ
47 46 sincld ⊢ x ∈ 0 π → sin ⁡ x ∈ ℂ
48 47 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x ∈ ℂ
49 26 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → N ∈ ℕ 0
50 48 49 expcld ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x N ∈ ℂ
51 40 a1i ⊢ φ → 0 ∈ ℝ
52 41 a1i ⊢ φ → π ∈ ℝ
53 46 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → x ∈ ℂ
54 eqid ⊢ x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N = x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N
55 54 fvmpt2 ⊢ x ∈ ℂ ∧ sin ⁡ x N ∈ ℂ → x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N ⁡ x = sin ⁡ x N
56 53 50 55 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N ⁡ x = sin ⁡ x N
57 56 eqcomd ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x N = x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N ⁡ x
58 57 mpteq2dva ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N = x ∈ 0 π ⟼ x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N ⁡ x
59 nfmpt1 ⊢ Ⅎ _ x x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N
60 nfcv ⊢ Ⅎ _ x sin
61 sincn ⊢ sin : ℂ ⟶cn ℂ
62 61 a1i ⊢ φ → sin : ℂ ⟶cn ℂ
63 60 62 26 expcnfg ⊢ φ → x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N : ℂ ⟶cn ℂ
64 45 a1i ⊢ φ → 0 π ⊆ ℂ
65 59 63 64 cncfmptss ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N ⁡ x : 0 π ⟶cn ℂ
66 58 65 eqeltrd ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N : 0 π ⟶cn ℂ
67 cniccibl ⊢ 0 ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ ∧ x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N : 0 π ⟶cn ℂ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N ∈ 𝐿 1
68 51 52 66 67 syl3anc ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N ∈ 𝐿 1
69 37 39 50 68 iblss ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N ∈ 𝐿 1
70 35 69 itgcl ⊢ φ → ∫ 0 π sin ⁡ x N dx ∈ ℂ
71 29 70 eqeltrd ⊢ φ → I ⁡ N ∈ ℂ
72 12 71 adddirp1d ⊢ φ → N - 1 + 1 ⁢ I ⁡ N = N − 1 ⁢ I ⁡ N + I ⁡ N
73 eluz2b2 ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 ↔ N ∈ ℕ ∧ 1 < N
74 2 73 sylib ⊢ φ → N ∈ ℕ ∧ 1 < N
75 74 simpld ⊢ φ → N ∈ ℕ
76 expm1t ⊢ sin ⁡ x ∈ ℂ ∧ N ∈ ℕ → sin ⁡ x N = sin ⁡ x N − 1 ⁢ sin ⁡ x
77 32 75 76 syl2anr ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x N = sin ⁡ x N − 1 ⁢ sin ⁡ x
78 77 itgeq2dv ⊢ φ → ∫ 0 π sin ⁡ x N dx = ∫ 0 π sin ⁡ x N − 1 ⁢ sin ⁡ x dx
79 eqid ⊢ x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 1 = x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 1
80 eqid ⊢ x ∈ ℂ ⟼ − cos ⁡ x = x ∈ ℂ ⟼ − cos ⁡ x
81 eqid ⊢ x ∈ ℂ ⟼ N − 1 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1 ⁢ cos ⁡ x = x ∈ ℂ ⟼ N − 1 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1 ⁢ cos ⁡ x
82 eqid ⊢ x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 1 ⁢ sin ⁡ x = x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 1 ⁢ sin ⁡ x
83 eqid ⊢ x ∈ ℂ ⟼ N − 1 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1 ⁢ cos ⁡ x ⁢ − cos ⁡ x = x ∈ ℂ ⟼ N − 1 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1 ⁢ cos ⁡ x ⁢ − cos ⁡ x
84 eqid ⊢ x ∈ ℂ ⟼ cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1 = x ∈ ℂ ⟼ cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1
85 79 80 81 82 83 84 11 itgsinexplem1 ⊢ φ → ∫ 0 π sin ⁡ x N − 1 ⁢ sin ⁡ x dx = N − 1 ⁢ ∫ 0 π cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1 dx
86 5 6 6 subsub4d ⊢ φ → N - 1 - 1 = N − 1 + 1
87 1p1e2 ⊢ 1 + 1 = 2
88 87 a1i ⊢ φ → 1 + 1 = 2
89 88 oveq2d ⊢ φ → N − 1 + 1 = N − 2
90 86 89 eqtrd ⊢ φ → N - 1 - 1 = N − 2
91 90 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → N - 1 - 1 = N − 2
92 91 oveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x N - 1 - 1 = sin ⁡ x N − 2
93 92 oveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1 = cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2
94 93 itgeq2dv ⊢ φ → ∫ 0 π cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1 dx = ∫ 0 π cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 dx
95 94 oveq2d ⊢ φ → N − 1 ⁢ ∫ 0 π cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N - 1 - 1 dx = N − 1 ⁢ ∫ 0 π cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 dx
96 sincossq ⊢ x ∈ ℂ → sin ⁡ x 2 + cos ⁡ x 2 = 1
97 1cnd ⊢ x ∈ ℂ → 1 ∈ ℂ
98 sincl ⊢ x ∈ ℂ → sin ⁡ x ∈ ℂ
99 98 sqcld ⊢ x ∈ ℂ → sin ⁡ x 2 ∈ ℂ
100 coscl ⊢ x ∈ ℂ → cos ⁡ x ∈ ℂ
101 100 sqcld ⊢ x ∈ ℂ → cos ⁡ x 2 ∈ ℂ
102 97 99 101 subaddd ⊢ x ∈ ℂ → 1 − sin ⁡ x 2 = cos ⁡ x 2 ↔ sin ⁡ x 2 + cos ⁡ x 2 = 1
103 96 102 mpbird ⊢ x ∈ ℂ → 1 − sin ⁡ x 2 = cos ⁡ x 2
104 103 eqcomd ⊢ x ∈ ℂ → cos ⁡ x 2 = 1 − sin ⁡ x 2
105 31 104 syl ⊢ x ∈ 0 π → cos ⁡ x 2 = 1 − sin ⁡ x 2
106 105 oveq1d ⊢ x ∈ 0 π → cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 = 1 − sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2
107 106 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 = 1 − sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2
108 107 itgeq2dv ⊢ φ → ∫ 0 π cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 dx = ∫ 0 π 1 − sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 dx
109 1cnd ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → 1 ∈ ℂ
110 32 sqcld ⊢ x ∈ 0 π → sin ⁡ x 2 ∈ ℂ
111 110 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x 2 ∈ ℂ
112 90 eqcomd ⊢ φ → N − 2 = N - 1 - 1
113 nnm1nn0 ⊢ N − 1 ∈ ℕ → N - 1 - 1 ∈ ℕ 0
114 11 113 syl ⊢ φ → N - 1 - 1 ∈ ℕ 0
115 112 114 eqeltrd ⊢ φ → N − 2 ∈ ℕ 0
116 115 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → N − 2 ∈ ℕ 0
117 33 116 expcld ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x N − 2 ∈ ℂ
118 109 111 117 subdird ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → 1 − sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 = 1 ⁢ sin ⁡ x N − 2 − sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2
119 117 mullidd ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → 1 ⁢ sin ⁡ x N − 2 = sin ⁡ x N − 2
120 23 a1i ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → 2 ∈ ℕ 0
121 33 116 120 expaddd ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x 2 + N - 2 = sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2
122 17 5 pncan3d ⊢ φ → 2 + N - 2 = N
123 122 oveq2d ⊢ φ → sin ⁡ x 2 + N - 2 = sin ⁡ x N
124 123 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x 2 + N - 2 = sin ⁡ x N
125 121 124 eqtr3d ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 = sin ⁡ x N
126 119 125 oveq12d ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → 1 ⁢ sin ⁡ x N − 2 − sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 = sin ⁡ x N − 2 − sin ⁡ x N
127 118 126 eqtrd ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → 1 − sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 = sin ⁡ x N − 2 − sin ⁡ x N
128 127 itgeq2dv ⊢ φ → ∫ 0 π 1 − sin ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 dx = ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 − sin ⁡ x N dx
129 115 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → N − 2 ∈ ℕ 0
130 48 129 expcld ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x N − 2 ∈ ℂ
131 eqid ⊢ x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 2 = x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 2
132 131 fvmpt2 ⊢ x ∈ ℂ ∧ sin ⁡ x N − 2 ∈ ℂ → x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 2 ⁡ x = sin ⁡ x N − 2
133 53 130 132 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 2 ⁡ x = sin ⁡ x N − 2
134 133 eqcomd ⊢ φ ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x N − 2 = x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 2 ⁡ x
135 134 mpteq2dva ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N − 2 = x ∈ 0 π ⟼ x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 2 ⁡ x
136 nfmpt1 ⊢ Ⅎ _ x x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 2
137 60 62 115 expcnfg ⊢ φ → x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 2 : ℂ ⟶cn ℂ
138 136 137 64 cncfmptss ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ x ∈ ℂ ⟼ sin ⁡ x N − 2 ⁡ x : 0 π ⟶cn ℂ
139 135 138 eqeltrd ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N − 2 : 0 π ⟶cn ℂ
140 cniccibl ⊢ 0 ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ ∧ x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N − 2 : 0 π ⟶cn ℂ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N − 2 ∈ 𝐿 1
141 51 52 139 140 syl3anc ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N − 2 ∈ 𝐿 1
142 37 39 130 141 iblss ⊢ φ → x ∈ 0 π ⟼ sin ⁡ x N − 2 ∈ 𝐿 1
143 117 142 35 69 itgsub ⊢ φ → ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 − sin ⁡ x N dx = ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx − ∫ 0 π sin ⁡ x N dx
144 108 128 143 3eqtrd ⊢ φ → ∫ 0 π cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 dx = ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx − ∫ 0 π sin ⁡ x N dx
145 144 oveq2d ⊢ φ → N − 1 ⁢ ∫ 0 π cos ⁡ x 2 ⁢ sin ⁡ x N − 2 dx = N − 1 ⁢ ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx − ∫ 0 π sin ⁡ x N dx
146 85 95 145 3eqtrd ⊢ φ → ∫ 0 π sin ⁡ x N − 1 ⁢ sin ⁡ x dx = N − 1 ⁢ ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx − ∫ 0 π sin ⁡ x N dx
147 29 78 146 3eqtrd ⊢ φ → I ⁡ N = N − 1 ⁢ ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx − ∫ 0 π sin ⁡ x N dx
148 oveq2 ⊢ n = N − 2 → sin ⁡ x n = sin ⁡ x N − 2
149 148 adantr ⊢ n = N − 2 ∧ x ∈ 0 π → sin ⁡ x n = sin ⁡ x N − 2
150 149 itgeq2dv ⊢ n = N − 2 → ∫ 0 π sin ⁡ x n dx = ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx
151 itgex ⊢ ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx ∈ V
152 151 a1i ⊢ φ → ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx ∈ V
153 1 150 115 152 fvmptd3 ⊢ φ → I ⁡ N − 2 = ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx
154 153 29 oveq12d ⊢ φ → I ⁡ N − 2 − I ⁡ N = ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx − ∫ 0 π sin ⁡ x N dx
155 154 oveq2d ⊢ φ → N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2 − I ⁡ N = N − 1 ⁢ ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx − ∫ 0 π sin ⁡ x N dx
156 117 142 itgcl ⊢ φ → ∫ 0 π sin ⁡ x N − 2 dx ∈ ℂ
157 153 156 eqeltrd ⊢ φ → I ⁡ N − 2 ∈ ℂ
158 12 157 71 subdid ⊢ φ → N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2 − I ⁡ N = N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2 − N − 1 ⁢ I ⁡ N
159 147 155 158 3eqtr2d ⊢ φ → I ⁡ N = N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2 − N − 1 ⁢ I ⁡ N
160 159 eqcomd ⊢ φ → N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2 − N − 1 ⁢ I ⁡ N = I ⁡ N
161 12 157 mulcld ⊢ φ → N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2 ∈ ℂ
162 12 71 mulcld ⊢ φ → N − 1 ⁢ I ⁡ N ∈ ℂ
163 161 162 71 subaddd ⊢ φ → N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2 − N − 1 ⁢ I ⁡ N = I ⁡ N ↔ N − 1 ⁢ I ⁡ N + I ⁡ N = N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2
164 160 163 mpbid ⊢ φ → N − 1 ⁢ I ⁡ N + I ⁡ N = N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2
165 9 72 164 3eqtrd ⊢ φ → N ⁢ I ⁡ N = N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2
166 165 oveq1d ⊢ φ → N ⁢ I ⁡ N N = N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2 N
167 75 nnne0d ⊢ φ → N ≠ 0
168 71 5 167 divcan3d ⊢ φ → N ⁢ I ⁡ N N = I ⁡ N
169 12 157 5 167 div23d ⊢ φ → N − 1 ⁢ I ⁡ N − 2 N = N − 1 N ⁢ I ⁡ N − 2
170 166 168 169 3eqtr3d ⊢ φ → I ⁡ N = N − 1 N ⁢ I ⁡ N − 2