Theorem efi4p 12072

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 8027	. . . 4 ⊢ i ∈ ℂ
2		mulcl 8059	. . . 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 12049	. . 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 8025	. . . . . 6 ⊢ 1 ∈ ℂ
8		addcl 8057	. . . . . 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 10823	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) ∈ ℂ)
11	10	halfcld 9289	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) ∈ ℂ)
12		3nn0 9320	. . . . . . 7 ⊢ 3 ∈ ℕ0
13		expcl 10709	. . . . . . 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 9125	. . . . . . 7 ⊢ 6 ∈ ℂ
16		6re 9124	. . . . . . . 8 ⊢ 6 ∈ ℝ
17		6pos 9144	. . . . . . . 8 ⊢ 0 < 6
18	16, 17	gt0ap0ii 8708	. . . . . . 7 ⊢ 6 # 0
19		divclap 8758	. . . . . . 7 ⊢ ((((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 # 0) → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
20	15, 18, 19	mp3an23 1342	. . . . . 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 8102	. . . 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 8248	. . . 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 9319	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 2 ∈ ℕ0
26		mulexp 10730	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
27	1, 25, 26	mp3an13 1341	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
28		i2 10792	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (i↑2) = -1
29	28	oveq1i 5961	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2))
30	29	a1i 9	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2)))
31		sqcl 10752	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑2) ∈ ℂ)
32	31	mulm1d 8489	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (-1 · (𝐴↑2)) = -(𝐴↑2))
33	27, 30, 32	3eqtrd 2243	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = -(𝐴↑2))
34	33	oveq1d 5966	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
35		2cn 9114	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 ∈ ℂ
36		2ap0 9136	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 # 0
37		divnegap 8786	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴↑2) ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ ∧ 2 # 0) → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
38	35, 36, 37	mp3an23 1342	. . . . . . . . 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 2242	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = -((𝐴↑2) / 2))
41	40	oveq2d 5967	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 + -((𝐴↑2) / 2)))
42	31	halfcld 9289	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑2) / 2) ∈ ℂ)
43		negsub 8327	. . . . . . 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 2239	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
46		mulexp 10730	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
47	1, 12, 46	mp3an13 1341	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
48		i3 10793	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (i↑3) = -i
49	48	oveq1i 5961	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((i↑3) · (𝐴↑3)) = (-i · (𝐴↑3))
50	47, 49	eqtrdi 2255	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = (-i · (𝐴↑3)))
51	50	oveq1d 5966	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = ((-i · (𝐴↑3)) / 6))
52		expcl 10709	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
53	12, 52	mpan2 425	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
54		negicn 8280	. . . . . . . . . 10 ⊢ -i ∈ ℂ
55	15, 18	pm3.2i 272	. . . . . . . . . 10 ⊢ (6 ∈ ℂ ∧ 6 # 0)
56		divassap 8770	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((-i ∈ ℂ ∧ (𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ (6 ∈ ℂ ∧ 6 # 0)) → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
57	54, 55, 56	mp3an13 1341	. . . . . . . . 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 8758	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 # 0) → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
60	15, 18, 59	mp3an23 1342	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴↑3) ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
61	53, 60	syl 14	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
62		mulneg12 8476	. . . . . . . . 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 2243	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
65	64	oveq2d 5967	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
66	61	negcld 8377	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
67		adddi 8064	. . . . . . . 8 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
68	1, 67	mp3an1 1337	. . . . . . 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 8327	. . . . . . . 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 5967	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
73	65, 69, 72	3eqtr2d 2245	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
74	45, 73	oveq12d 5969	. . . 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 2243	. . 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 5966	. 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 2239	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 1373   ∈ wcel 2177   class class class wbr 4047   ↦ cmpt 4109  ‘cfv 5276  (class class class)co 5951  ℂcc 7930  0cc0 7932  1c1 7933  ici 7934   + caddc 7935   · cmul 7937   − cmin 8250  -cneg 8251   # cap 8661   / cdiv 8752  2c2 9094  3c3 9095  4c4 9096  6c6 9098  ℕ₀cn0 9302  ℤ_≥cuz 9655  ↑cexp 10690  !cfa 10877  Σcsu 11708  expce 11997

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 4163  ax-sep 4166  ax-nul 4174  ax-pow 4222  ax-pr 4257  ax-un 4484  ax-setind 4589  ax-iinf 4640  ax-cnex 8023  ax-resscn 8024  ax-1cn 8025  ax-1re 8026  ax-icn 8027  ax-addcl 8028  ax-addrcl 8029  ax-mulcl 8030  ax-mulrcl 8031  ax-addcom 8032  ax-mulcom 8033  ax-addass 8034  ax-mulass 8035  ax-distr 8036  ax-i2m1 8037  ax-0lt1 8038  ax-1rid 8039  ax-0id 8040  ax-rnegex 8041  ax-precex 8042  ax-cnre 8043  ax-pre-ltirr 8044  ax-pre-ltwlin 8045  ax-pre-lttrn 8046  ax-pre-apti 8047  ax-pre-ltadd 8048  ax-pre-mulgt0 8049  ax-pre-mulext 8050  ax-arch 8051  ax-caucvg 8052

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  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 3000  df-csb 3095  df-dif 3169  df-un 3171  df-in 3173  df-ss 3180  df-nul 3462  df-if 3573  df-pw 3619  df-sn 3640  df-pr 3641  df-op 3643  df-uni 3853  df-int 3888  df-iun 3931  df-br 4048  df-opab 4110  df-mpt 4111  df-tr 4147  df-id 4344  df-po 4347  df-iso 4348  df-iord 4417  df-on 4419  df-ilim 4420  df-suc 4422  df-iom 4643  df-xp 4685  df-rel 4686  df-cnv 4687  df-co 4688  df-dm 4689  df-rn 4690  df-res 4691  df-ima 4692  df-iota 5237  df-fun 5278  df-fn 5279  df-f 5280  df-f1 5281  df-fo 5282  df-f1o 5283  df-fv 5284  df-isom 5285  df-riota 5906  df-ov 5954  df-oprab 5955  df-mpo 5956  df-1st 6233  df-2nd 6234  df-recs 6398  df-irdg 6463  df-frec 6484  df-1o 6509  df-oadd 6513  df-er 6627  df-en 6835  df-dom 6836  df-fin 6837  df-pnf 8116  df-mnf 8117  df-xr 8118  df-ltxr 8119  df-le 8120  df-sub 8252  df-neg 8253  df-reap 8655  df-ap 8662  df-div 8753  df-inn 9044  df-2 9102  df-3 9103  df-4 9104  df-5 9105  df-6 9106  df-n0 9303  df-z 9380  df-uz 9656  df-q 9748  df-rp 9783  df-ico 10023  df-fz 10138  df-fzo 10272  df-seqfrec 10600  df-exp 10691  df-fac 10878  df-ihash 10928  df-cj 11197  df-re 11198  df-im 11199  df-rsqrt 11353  df-abs 11354  df-clim 11634  df-sumdc 11709  df-ef 12003

This theorem is referenced by:  resin4p  12073  recos4p  12074