Theorem eulerth 12251

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 12233	. . . . . . . 8 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) e. NN )
2	1	nnnn0d 9247	. . . . . . 7 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) e. NN0 )
3		hashfz1 10781	. . . . . . 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 12238	. . . . . 6 |- ( N e. NN -> ( phi ` N ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
6	4, 5	eqtrd 2222	. . . . 5 |- ( N e. NN -> (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
7	6	3ad2ant1 1020	. . . 4 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> (♯ ` ( 1 ... ( phi ` N ) ) ) = (♯ ` { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } ) )
8		1zzd 9298	. . . . . 6 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> 1 e. ZZ )
9	1	3ad2ant1 1020	. . . . . . 7 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( phi ` N ) e. NN )
10	9	nnzd 9392	. . . . . 6 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> ( phi ` N ) e. ZZ )
11	8, 10	fzfigd 10449	. . . . 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 5898	. . . . . . . 8 |- ( k = y -> ( k gcd N ) = ( y gcd N ) )
14	13	eqeq1d 2198	. . . . . . 7 |- ( k = y -> ( ( k gcd N ) = 1 <-> ( y gcd N ) = 1 ) )
15	14	cbvrabv 2751	. . . . . 6 |- { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } = { y e. ( 0..^ N ) | ( y gcd N ) = 1 }
16	12, 15	eulerthlemfi 12246	. . . . 5 |- ( ( N e. NN /\ A e. ZZ /\ ( A gcd N ) = 1 ) -> { k e. ( 0..^ N ) | ( k gcd N ) = 1 } e. Fin )
17		hashen 10782	. . . . 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 6765	. . 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 12250	. 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 1910	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 980   = wceq 1364   E.wex 1503   e. wcel 2160   {crab 2472   class class class wbr 4018   -1-1-onto->wf1o 5230   ` cfv 5231  (class class class)co 5891   ~~ cen 6756   Fincfn 6758   0cc0 7829   1c1 7830   NNcn 8937   NN0cn0 9194   ZZcz 9271   ...cfz 10026  ..^cfzo 10160   mod cmo 10340   ^cexp 10537  ♯chash 10773   gcd cgcd 11961   phicphi 12227

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 710  ax-5 1458  ax-7 1459  ax-gen 1460  ax-ie1 1504  ax-ie2 1505  ax-8 1515  ax-10 1516  ax-11 1517  ax-i12 1518  ax-bndl 1520  ax-4 1521  ax-17 1537  ax-i9 1541  ax-ial 1545  ax-i5r 1546  ax-13 2162  ax-14 2163  ax-ext 2171  ax-coll 4133  ax-sep 4136  ax-nul 4144  ax-pow 4189  ax-pr 4224  ax-un 4448  ax-setind 4551  ax-iinf 4602  ax-cnex 7920  ax-resscn 7921  ax-1cn 7922  ax-1re 7923  ax-icn 7924  ax-addcl 7925  ax-addrcl 7926  ax-mulcl 7927  ax-mulrcl 7928  ax-addcom 7929  ax-mulcom 7930  ax-addass 7931  ax-mulass 7932  ax-distr 7933  ax-i2m1 7934  ax-0lt1 7935  ax-1rid 7936  ax-0id 7937  ax-rnegex 7938  ax-precex 7939  ax-cnre 7940  ax-pre-ltirr 7941  ax-pre-ltwlin 7942  ax-pre-lttrn 7943  ax-pre-apti 7944  ax-pre-ltadd 7945  ax-pre-mulgt0 7946  ax-pre-mulext 7947  ax-arch 7948  ax-caucvg 7949

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-stab 832  df-dc 836  df-3or 981  df-3an 982  df-tru 1367  df-fal 1370  df-nf 1472  df-sb 1774  df-eu 2041  df-mo 2042  df-clab 2176  df-cleq 2182  df-clel 2185  df-nfc 2321  df-ne 2361  df-nel 2456  df-ral 2473  df-rex 2474  df-reu 2475  df-rmo 2476  df-rab 2477  df-v 2754  df-sbc 2978  df-csb 3073  df-dif 3146  df-un 3148  df-in 3150  df-ss 3157  df-nul 3438  df-if 3550  df-pw 3592  df-sn 3613  df-pr 3614  df-op 3616  df-uni 3825  df-int 3860  df-iun 3903  df-br 4019  df-opab 4080  df-mpt 4081  df-tr 4117  df-id 4308  df-po 4311  df-iso 4312  df-iord 4381  df-on 4383  df-ilim 4384  df-suc 4386  df-iom 4605  df-xp 4647  df-rel 4648  df-cnv 4649  df-co 4650  df-dm 4651  df-rn 4652  df-res 4653  df-ima 4654  df-iota 5193  df-fun 5233  df-fn 5234  df-f 5235  df-f1 5236  df-fo 5237  df-f1o 5238  df-fv 5239  df-isom 5240  df-riota 5847  df-ov 5894  df-oprab 5895  df-mpo 5896  df-1st 6159  df-2nd 6160  df-recs 6324  df-irdg 6389  df-frec 6410  df-1o 6435  df-oadd 6439  df-er 6553  df-en 6759  df-dom 6760  df-fin 6761  df-sup 7001  df-pnf 8012  df-mnf 8013  df-xr 8014  df-ltxr 8015  df-le 8016  df-sub 8148  df-neg 8149  df-reap 8550  df-ap 8557  df-div 8648  df-inn 8938  df-2 8996  df-3 8997  df-4 8998  df-n0 9195  df-z 9272  df-uz 9547  df-q 9638  df-rp 9672  df-fz 10027  df-fzo 10161  df-fl 10288  df-mod 10341  df-seqfrec 10464  df-exp 10538  df-ihash 10774  df-cj 10869  df-re 10870  df-im 10871  df-rsqrt 11025  df-abs 11026  df-clim 11305  df-proddc 11577  df-dvds 11813  df-gcd 11962  df-phi 12229

This theorem is referenced by:  fermltl  12252  prmdiv  12253  odzcllem  12260  odzphi  12264  vfermltl  12269  lgslem1  14798