Theorem eulerth 12605

Description: Euler's theorem, a generalization of Fermat's little theorem. If A and N are coprime, then A ^ phi ( N ) == 1 (mod N). This is Metamath 100 proof #10. Also called Euler-Fermat theorem, see theorem 5.17 in [ApostolNT] p. 113. (Contributed by Mario Carneiro, 28-Feb-2014.)

Assertion

Ref	Expression
eulerth	|- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( ( A ^ ( phi ` N ) ) mod N ) = ( 1 mod N ) )

Proof of Theorem eulerth

Dummy variables f y k are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		phicl 12587	. . . . . . . 8 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) e. NN )
2	1	nnnn0d 9361	. . . . . . 7 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) e. NN0 )
3		hashfz1 10941	. . . . . . 7 |- ( ( phi ` N ) e. NN0 -> (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = ( phi ` N ) )
4	2, 3	syl 14	. . . . . 6 |- ( N e. NN -> (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = ( phi ` N ) )
5		dfphi2 12592	. . . . . 6 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
6	4, 5	eqtrd 2239	. . . . 5 |- ( N e. NN -> (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
7	6	3ad2ant1 1021	. . . 4 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
8		1zzd 9412	. . . . . 6 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> 1 e. ZZ )
9	1	3ad2ant1 1021	. . . . . . 7 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( phi ` N ) e. NN )
10	9	nnzd 9507	. . . . . 6 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( phi ` N ) e. ZZ )
11	8, 10	fzfigd 10589	. . . . 5 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( 1 ... ( phi ` N ) ) e. Fin )
12		id 19	. . . . . 6 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) )
13		oveq1 5961	. . . . . . . 8 |- ( k = y -> ( k gcd N ) = ( y gcd N ) )
14	13	eqeq1d 2215	. . . . . . 7 |- ( k = y -> ( ( k gcd N ) = 1 <-> ( y gcd N ) = 1 ) )
15	14	cbvrabv 2772	. . . . . 6 |- { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } = { y e. ( 0..^ N ) | ( y gcd N ) = 1 }
16	12, 15	eulerthlemfi 12600	. . . . 5 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } e. Fin )
17		hashen 10942	. . . . 5 |- ( ( ( 1 ... ( phi ` N ) ) e. Fin /\ { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } e. Fin ) -> ( (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) <-> ( 1 ... ( phi ` N ) ) ~~ { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
18	11, 16, 17	syl2anc 411	. . . 4 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) <-> ( 1 ... ( phi ` N ) ) ~~ { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
19	7, 18	mpbid 147	. . 3 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( 1 ... ( phi ` N ) ) ~~ { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } )
20		bren 6845	. . 3 |- ( ( 1 ... ( phi ` N ) ) ~~ { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } <-> E. f f : ( 1 ... ( phi ` N ) ) -1-1-onto-> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } )
21	19, 20	sylib 122	. 2 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> E. f f : ( 1 ... ( phi ` N ) ) -1-1-onto-> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } )
22		simpl 109	. . 3 |- ( ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) /\ f : ( 1 ... ( phi ` N ) ) -1-1-onto-> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) -> ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) )
23		simpr 110	. . 3 |- ( ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) /\ f : ( 1 ... ( phi ` N ) ) -1-1-onto-> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) -> f : ( 1 ... ( phi ` N ) ) -1-1-onto-> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } )
24	22, 15, 23	eulerthlemth 12604	. 2 |- ( ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) /\ f : ( 1 ... ( phi ` N ) ) -1-1-onto-> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) -> ( ( A ^ ( phi ` N ) ) mod N ) = ( 1 mod N ) )
25	21, 24	exlimddv 1923	1 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( ( A ^ ( phi ` N ) ) mod N ) = ( 1 mod N ) )

Syntax hints:   -> wi 4   /\ wa 104   <-> wb 105   /\ w3a 981   = wceq 1373   E.wex 1516   e. wcel 2177   {crab 2489   class class class wbr 4048   -1-1-onto->wf1o 5276   ` cfv 5277  (class class class)co 5954   ~~ cen 6835   Fincfn 6837   0cc0 7938   1c1 7939   NNcn 9049   NN0cn0 9308   ZZcz 9385   ...cfz 10143  ..^cfzo 10277   mod cmo 10480   ^cexp 10696  ♯chash 10933   gcd cgcd 12324   phicphi 12581

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 615  ax-in2 616  ax-io 711  ax-5 1471  ax-7 1472  ax-gen 1473  ax-ie1 1517  ax-ie2 1518  ax-8 1528  ax-10 1529  ax-11 1530  ax-i12 1531  ax-bndl 1533  ax-4 1534  ax-17 1550  ax-i9 1554  ax-ial 1558  ax-i5r 1559  ax-13 2179  ax-14 2180  ax-ext 2188  ax-coll 4164  ax-sep 4167  ax-nul 4175  ax-pow 4223  ax-pr 4258  ax-un 4485  ax-setind 4590  ax-iinf 4641  ax-cnex 8029  ax-resscn 8030  ax-1cn 8031  ax-1re 8032  ax-icn 8033  ax-addcl 8034  ax-addrcl 8035  ax-mulcl 8036  ax-mulrcl 8037  ax-addcom 8038  ax-mulcom 8039  ax-addass 8040  ax-mulass 8041  ax-distr 8042  ax-i2m1 8043  ax-0lt1 8044  ax-1rid 8045  ax-0id 8046  ax-rnegex 8047  ax-precex 8048  ax-cnre 8049  ax-pre-ltirr 8050  ax-pre-ltwlin 8051  ax-pre-lttrn 8052  ax-pre-apti 8053  ax-pre-ltadd 8054  ax-pre-mulgt0 8055  ax-pre-mulext 8056  ax-arch 8057  ax-caucvg 8058

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-stab 833  df-dc 837  df-3or 982  df-3an 983  df-tru 1376  df-fal 1379  df-nf 1485  df-sb 1787  df-eu 2058  df-mo 2059  df-clab 2193  df-cleq 2199  df-clel 2202  df-nfc 2338  df-ne 2378  df-nel 2473  df-ral 2490  df-rex 2491  df-reu 2492  df-rmo 2493  df-rab 2494  df-v 2775  df-sbc 3001  df-csb 3096  df-dif 3170  df-un 3172  df-in 3174  df-ss 3181  df-nul 3463  df-if 3574  df-pw 3620  df-sn 3641  df-pr 3642  df-op 3644  df-uni 3854  df-int 3889  df-iun 3932  df-br 4049  df-opab 4111  df-mpt 4112  df-tr 4148  df-id 4345  df-po 4348  df-iso 4349  df-iord 4418  df-on 4420  df-ilim 4421  df-suc 4423  df-iom 4644  df-xp 4686  df-rel 4687  df-cnv 4688  df-co 4689  df-dm 4690  df-rn 4691  df-res 4692  df-ima 4693  df-iota 5238  df-fun 5279  df-fn 5280  df-f 5281  df-f1 5282  df-fo 5283  df-f1o 5284  df-fv 5285  df-isom 5286  df-riota 5909  df-ov 5957  df-oprab 5958  df-mpo 5959  df-1st 6236  df-2nd 6237  df-recs 6401  df-irdg 6466  df-frec 6487  df-1o 6512  df-oadd 6516  df-er 6630  df-en 6838  df-dom 6839  df-fin 6840  df-sup 7098  df-pnf 8122  df-mnf 8123  df-xr 8124  df-ltxr 8125  df-le 8126  df-sub 8258  df-neg 8259  df-reap 8661  df-ap 8668  df-div 8759  df-inn 9050  df-2 9108  df-3 9109  df-4 9110  df-n0 9309  df-z 9386  df-uz 9662  df-q 9754  df-rp 9789  df-fz 10144  df-fzo 10278  df-fl 10426  df-mod 10481  df-seqfrec 10606  df-exp 10697  df-ihash 10934  df-cj 11203  df-re 11204  df-im 11205  df-rsqrt 11359  df-abs 11360  df-clim 11640  df-proddc 11912  df-dvds 12149  df-gcd 12325  df-phi 12583

This theorem is referenced by:  fermltl  12606  prmdiv  12607  odzcllem  12615  odzphi  12619  vfermltl  12624  lgslem1  15527