Theorem efi4p 12280

Description: Separate out the first four terms of the infinite series expansion of the exponential function. (Contributed by Paul Chapman, 19-Jan-2008.) (Revised by Mario Carneiro, 30-Apr-2014.)

Hypothesis

Ref	Expression
efi4p.1	⊢ 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (((i · 𝐴)↑𝑛) / (!‘𝑛)))

Assertion

Ref	Expression
efi4p	⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = (((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)))

Distinct variable groups:   𝐴,𝑘,𝑛   𝑘,𝐹

Allowed substitution hint:   𝐹(𝑛)

Proof of Theorem efi4p

Step	Hyp	Ref	Expression
1		ax-icn 8127	. . . 4 ⊢ i ∈ ℂ
2		mulcl 8159	. . . 4 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ) → (i · 𝐴) ∈ ℂ)
3	1, 2	mpan 424	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · 𝐴) ∈ ℂ)
4		efi4p.1	. . . 4 ⊢ 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (((i · 𝐴)↑𝑛) / (!‘𝑛)))
5	4	ef4p 12257	. . 3 ⊢ ((i · 𝐴) ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = ((((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)))
6	3, 5	syl 14	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = ((((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)))
7		ax-1cn 8125	. . . . . 6 ⊢ 1 ∈ ℂ
8		addcl 8157	. . . . . 6 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ (i · 𝐴) ∈ ℂ) → (1 + (i · 𝐴)) ∈ ℂ)
9	7, 3, 8	sylancr 414	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (i · 𝐴)) ∈ ℂ)
10	3	sqcld 10934	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) ∈ ℂ)
11	10	halfcld 9389	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) ∈ ℂ)
12		3nn0 9420	. . . . . . 7 ⊢ 3 ∈ ℕ0
13		expcl 10820	. . . . . . 7 ⊢ (((i · 𝐴) ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ)
14	3, 12, 13	sylancl 413	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ)
15		6cn 9225	. . . . . . 7 ⊢ 6 ∈ ℂ
16		6re 9224	. . . . . . . 8 ⊢ 6 ∈ ℝ
17		6pos 9244	. . . . . . . 8 ⊢ 0 < 6
18	16, 17	gt0ap0ii 8808	. . . . . . 7 ⊢ 6 # 0
19		divclap 8858	. . . . . . 7 ⊢ ((((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 # 0) → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
20	15, 18, 19	mp3an23 1365	. . . . . 6 ⊢ (((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
21	14, 20	syl 14	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
22	9, 11, 21	addassd 8202	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((1 + (i · 𝐴)) + ((((i · 𝐴)↑2) / 2) + (((i · 𝐴)↑3) / 6))))
23	7	a1i 9	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → 1 ∈ ℂ)
24	23, 3, 11, 21	add4d 8348	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((1 + (i · 𝐴)) + ((((i · 𝐴)↑2) / 2) + (((i · 𝐴)↑3) / 6))) = ((1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6))))
25		2nn0 9419	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 2 ∈ ℕ0
26		mulexp 10841	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
27	1, 25, 26	mp3an13 1364	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
28		i2 10903	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (i↑2) = -1
29	28	oveq1i 6028	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2))
30	29	a1i 9	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2)))
31		sqcl 10863	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑2) ∈ ℂ)
32	31	mulm1d 8589	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (-1 · (𝐴↑2)) = -(𝐴↑2))
33	27, 30, 32	3eqtrd 2268	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = -(𝐴↑2))
34	33	oveq1d 6033	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
35		2cn 9214	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 ∈ ℂ
36		2ap0 9236	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 # 0
37		divnegap 8886	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴↑2) ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ ∧ 2 # 0) → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
38	35, 36, 37	mp3an23 1365	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐴↑2) ∈ ℂ → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
39	31, 38	syl 14	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
40	34, 39	eqtr4d 2267	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = -((𝐴↑2) / 2))
41	40	oveq2d 6034	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 + -((𝐴↑2) / 2)))
42	31	halfcld 9389	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑2) / 2) ∈ ℂ)
43		negsub 8427	. . . . . . 7 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑2) / 2) ∈ ℂ) → (1 + -((𝐴↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
44	7, 42, 43	sylancr 414	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + -((𝐴↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
45	41, 44	eqtrd 2264	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
46		mulexp 10841	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
47	1, 12, 46	mp3an13 1364	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
48		i3 10904	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (i↑3) = -i
49	48	oveq1i 6028	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((i↑3) · (𝐴↑3)) = (-i · (𝐴↑3))
50	47, 49	eqtrdi 2280	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = (-i · (𝐴↑3)))
51	50	oveq1d 6033	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = ((-i · (𝐴↑3)) / 6))
52		expcl 10820	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
53	12, 52	mpan2 425	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
54		negicn 8380	. . . . . . . . . 10 ⊢ -i ∈ ℂ
55	15, 18	pm3.2i 272	. . . . . . . . . 10 ⊢ (6 ∈ ℂ ∧ 6 # 0)
56		divassap 8870	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((-i ∈ ℂ ∧ (𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ (6 ∈ ℂ ∧ 6 # 0)) → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
57	54, 55, 56	mp3an13 1364	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐴↑3) ∈ ℂ → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
58	53, 57	syl 14	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
59		divclap 8858	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 # 0) → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
60	15, 18, 59	mp3an23 1365	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴↑3) ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
61	53, 60	syl 14	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
62		mulneg12 8576	. . . . . . . . 9 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (-i · ((𝐴↑3) / 6)) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
63	1, 61, 62	sylancr 414	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (-i · ((𝐴↑3) / 6)) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
64	51, 58, 63	3eqtrd 2268	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
65	64	oveq2d 6034	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
66	61	negcld 8477	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
67		adddi 8164	. . . . . . . 8 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
68	1, 67	mp3an1 1360	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
69	66, 68	mpdan 421	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
70		negsub 8427	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6)) = (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))
71	61, 70	mpdan 421	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6)) = (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))
72	71	oveq2d 6034	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
73	65, 69, 72	3eqtr2d 2270	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
74	45, 73	oveq12d 6036	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6))) = ((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))))
75	22, 24, 74	3eqtrd 2268	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))))
76	75	oveq1d 6033	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)) = (((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)))
77	6, 76	eqtrd 2264	1 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = (((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 104   = wceq 1397   ∈ wcel 2202   class class class wbr 4088   ↦ cmpt 4150  ‘cfv 5326  (class class class)co 6018  ℂcc 8030  0cc0 8032  1c1 8033  ici 8034   + caddc 8035   · cmul 8037   − cmin 8350  -cneg 8351   # cap 8761   / cdiv 8852  2c2 9194  3c3 9195  4c4 9196  6c6 9198  ℕ₀cn0 9402  ℤ_≥cuz 9755  ↑cexp 10801  !cfa 10988  Σcsu 11915  expce 12205

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 619  ax-in2 620  ax-io 716  ax-5 1495  ax-7 1496  ax-gen 1497  ax-ie1 1541  ax-ie2 1542  ax-8 1552  ax-10 1553  ax-11 1554  ax-i12 1555  ax-bndl 1557  ax-4 1558  ax-17 1574  ax-i9 1578  ax-ial 1582  ax-i5r 1583  ax-13 2204  ax-14 2205  ax-ext 2213  ax-coll 4204  ax-sep 4207  ax-nul 4215  ax-pow 4264  ax-pr 4299  ax-un 4530  ax-setind 4635  ax-iinf 4686  ax-cnex 8123  ax-resscn 8124  ax-1cn 8125  ax-1re 8126  ax-icn 8127  ax-addcl 8128  ax-addrcl 8129  ax-mulcl 8130  ax-mulrcl 8131  ax-addcom 8132  ax-mulcom 8133  ax-addass 8134  ax-mulass 8135  ax-distr 8136  ax-i2m1 8137  ax-0lt1 8138  ax-1rid 8139  ax-0id 8140  ax-rnegex 8141  ax-precex 8142  ax-cnre 8143  ax-pre-ltirr 8144  ax-pre-ltwlin 8145  ax-pre-lttrn 8146  ax-pre-apti 8147  ax-pre-ltadd 8148  ax-pre-mulgt0 8149  ax-pre-mulext 8150  ax-arch 8151  ax-caucvg 8152

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-dc 842  df-3or 1005  df-3an 1006  df-tru 1400  df-fal 1403  df-nf 1509  df-sb 1811  df-eu 2082  df-mo 2083  df-clab 2218  df-cleq 2224  df-clel 2227  df-nfc 2363  df-ne 2403  df-nel 2498  df-ral 2515  df-rex 2516  df-reu 2517  df-rmo 2518  df-rab 2519  df-v 2804  df-sbc 3032  df-csb 3128  df-dif 3202  df-un 3204  df-in 3206  df-ss 3213  df-nul 3495  df-if 3606  df-pw 3654  df-sn 3675  df-pr 3676  df-op 3678  df-uni 3894  df-int 3929  df-iun 3972  df-br 4089  df-opab 4151  df-mpt 4152  df-tr 4188  df-id 4390  df-po 4393  df-iso 4394  df-iord 4463  df-on 4465  df-ilim 4466  df-suc 4468  df-iom 4689  df-xp 4731  df-rel 4732  df-cnv 4733  df-co 4734  df-dm 4735  df-rn 4736  df-res 4737  df-ima 4738  df-iota 5286  df-fun 5328  df-fn 5329  df-f 5330  df-f1 5331  df-fo 5332  df-f1o 5333  df-fv 5334  df-isom 5335  df-riota 5971  df-ov 6021  df-oprab 6022  df-mpo 6023  df-1st 6303  df-2nd 6304  df-recs 6471  df-irdg 6536  df-frec 6557  df-1o 6582  df-oadd 6586  df-er 6702  df-en 6910  df-dom 6911  df-fin 6912  df-pnf 8216  df-mnf 8217  df-xr 8218  df-ltxr 8219  df-le 8220  df-sub 8352  df-neg 8353  df-reap 8755  df-ap 8762  df-div 8853  df-inn 9144  df-2 9202  df-3 9203  df-4 9204  df-5 9205  df-6 9206  df-n0 9403  df-z 9480  df-uz 9756  df-q 9854  df-rp 9889  df-ico 10129  df-fz 10244  df-fzo 10378  df-seqfrec 10711  df-exp 10802  df-fac 10989  df-ihash 11039  df-cj 11404  df-re 11405  df-im 11406  df-rsqrt 11560  df-abs 11561  df-clim 11841  df-sumdc 11916  df-ef 12211

This theorem is referenced by:  resin4p  12281  recos4p  12282