Theorem eulerth 12112

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 12094	. . . . . . . 8 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) e. NN )
2	1	nnnn0d 9144	. . . . . . 7 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) e. NN0 )
3		hashfz1 10661	. . . . . . 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 12099	. . . . . 6 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
6	4, 5	eqtrd 2190	. . . . 5 |- ( N e. NN -> (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
7	6	3ad2ant1 1003	. . . 4 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
8		1zzd 9195	. . . . . 6 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> 1 e. ZZ )
9	1	3ad2ant1 1003	. . . . . . 7 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( phi ` N ) e. NN )
10	9	nnzd 9286	. . . . . 6 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( phi ` N ) e. ZZ )
11	8, 10	fzfigd 10334	. . . . 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 5832	. . . . . . . 8 |- ( k = y -> ( k gcd N ) = ( y gcd N ) )
14	13	eqeq1d 2166	. . . . . . 7 |- ( k = y -> ( ( k gcd N ) = 1 <-> ( y gcd N ) = 1 ) )
15	14	cbvrabv 2711	. . . . . 6 |- { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } = { y e. ( 0..^ N ) | ( y gcd N ) = 1 }
16	12, 15	eulerthlemfi 12107	. . . . 5 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } e. Fin )
17		hashen 10662	. . . . 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 409	. . . 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 146	. . 3 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( 1 ... ( phi ` N ) ) ~~ { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } )
20		bren 6693	. . 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 121	. 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 108	. . 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 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 } ) -> f : ( 1 ... ( phi ` N ) ) -1-1-onto-> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } )
24	22, 15, 23	eulerthlemth 12111	. 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 1878	1 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( ( A ^ ( phi ` N ) ) mod N ) = ( 1 mod N ) )

Syntax hints:   -> wi 4   /\ wa 103   <-> wb 104   /\ w3a 963   = wceq 1335   E.wex 1472   e. wcel 2128   {crab 2439   class class class wbr 3966   -1-1-onto->wf1o 5170   ` cfv 5171  (class class class)co 5825   ~~ cen 6684   Fincfn 6686   0cc0 7733   1c1 7734   NNcn 8834   NN0cn0 9091   ZZcz 9168   ...cfz 9913  ..^cfzo 10045   mod cmo 10225   ^cexp 10422  ♯chash 10653   gcd cgcd 11833   phicphi 12088

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 105  ax-ia2 106  ax-ia3 107  ax-in1 604  ax-in2 605  ax-io 699  ax-5 1427  ax-7 1428  ax-gen 1429  ax-ie1 1473  ax-ie2 1474  ax-8 1484  ax-10 1485  ax-11 1486  ax-i12 1487  ax-bndl 1489  ax-4 1490  ax-17 1506  ax-i9 1510  ax-ial 1514  ax-i5r 1515  ax-13 2130  ax-14 2131  ax-ext 2139  ax-coll 4080  ax-sep 4083  ax-nul 4091  ax-pow 4136  ax-pr 4170  ax-un 4394  ax-setind 4497  ax-iinf 4548  ax-cnex 7824  ax-resscn 7825  ax-1cn 7826  ax-1re 7827  ax-icn 7828  ax-addcl 7829  ax-addrcl 7830  ax-mulcl 7831  ax-mulrcl 7832  ax-addcom 7833  ax-mulcom 7834  ax-addass 7835  ax-mulass 7836  ax-distr 7837  ax-i2m1 7838  ax-0lt1 7839  ax-1rid 7840  ax-0id 7841  ax-rnegex 7842  ax-precex 7843  ax-cnre 7844  ax-pre-ltirr 7845  ax-pre-ltwlin 7846  ax-pre-lttrn 7847  ax-pre-apti 7848  ax-pre-ltadd 7849  ax-pre-mulgt0 7850  ax-pre-mulext 7851  ax-arch 7852  ax-caucvg 7853

This theorem depends on definitions:  df-bi 116  df-stab 817  df-dc 821  df-3or 964  df-3an 965  df-tru 1338  df-fal 1341  df-nf 1441  df-sb 1743  df-eu 2009  df-mo 2010  df-clab 2144  df-cleq 2150  df-clel 2153  df-nfc 2288  df-ne 2328  df-nel 2423  df-ral 2440  df-rex 2441  df-reu 2442  df-rmo 2443  df-rab 2444  df-v 2714  df-sbc 2938  df-csb 3032  df-dif 3104  df-un 3106  df-in 3108  df-ss 3115  df-nul 3395  df-if 3506  df-pw 3545  df-sn 3566  df-pr 3567  df-op 3569  df-uni 3774  df-int 3809  df-iun 3852  df-br 3967  df-opab 4027  df-mpt 4028  df-tr 4064  df-id 4254  df-po 4257  df-iso 4258  df-iord 4327  df-on 4329  df-ilim 4330  df-suc 4332  df-iom 4551  df-xp 4593  df-rel 4594  df-cnv 4595  df-co 4596  df-dm 4597  df-rn 4598  df-res 4599  df-ima 4600  df-iota 5136  df-fun 5173  df-fn 5174  df-f 5175  df-f1 5176  df-fo 5177  df-f1o 5178  df-fv 5179  df-isom 5180  df-riota 5781  df-ov 5828  df-oprab 5829  df-mpo 5830  df-1st 6089  df-2nd 6090  df-recs 6253  df-irdg 6318  df-frec 6339  df-1o 6364  df-oadd 6368  df-er 6481  df-en 6687  df-dom 6688  df-fin 6689  df-sup 6929  df-pnf 7915  df-mnf 7916  df-xr 7917  df-ltxr 7918  df-le 7919  df-sub 8049  df-neg 8050  df-reap 8451  df-ap 8458  df-div 8547  df-inn 8835  df-2 8893  df-3 8894  df-4 8895  df-n0 9092  df-z 9169  df-uz 9441  df-q 9530  df-rp 9562  df-fz 9914  df-fzo 10046  df-fl 10173  df-mod 10226  df-seqfrec 10349  df-exp 10423  df-ihash 10654  df-cj 10746  df-re 10747  df-im 10748  df-rsqrt 10902  df-abs 10903  df-clim 11180  df-proddc 11452  df-dvds 11688  df-gcd 11834  df-phi 12090

This theorem is referenced by:  fermltl  12113  prmdiv  12114  odzcllem  12121  odzphi  12125  vfermltl  12130