Theorem eulerth 12599

Description: Euler's theorem, a generalization of Fermat's little theorem. If 𝐴 and 𝑁 are coprime, then 𝐴↑ϕ(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 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → ((𝐴↑(ϕ‘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 12581	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (ϕ‘𝑁) ∈ ℕ)
2	1	nnnn0d 9355	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (ϕ‘𝑁) ∈ ℕ0)
3		hashfz1 10935	. . . . . . 7 ⊢ ((ϕ‘𝑁) ∈ ℕ0 → (♯‘(1...(ϕ‘𝑁))) = (ϕ‘𝑁))
4	2, 3	syl 14	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘(1...(ϕ‘𝑁))) = (ϕ‘𝑁))
5		dfphi2 12586	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (ϕ‘𝑁) = (♯‘{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}))
6	4, 5	eqtrd 2239	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (♯‘(1...(ϕ‘𝑁))) = (♯‘{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}))
7	6	3ad2ant1 1021	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (♯‘(1...(ϕ‘𝑁))) = (♯‘{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}))
8		1zzd 9406	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → 1 ∈ ℤ)
9	1	3ad2ant1 1021	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (ϕ‘𝑁) ∈ ℕ)
10	9	nnzd 9501	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (ϕ‘𝑁) ∈ ℤ)
11	8, 10	fzfigd 10583	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (1...(ϕ‘𝑁)) ∈ Fin)
12		id 19	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1))
13		oveq1 5958	. . . . . . . 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 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1} = {𝑦 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑦 gcd 𝑁) = 1}
16	12, 15	eulerthlemfi 12594	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → {𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1} ∈ Fin)
17		hashen 10936	. . . . 5 ⊢ (((1...(ϕ‘𝑁)) ∈ Fin ∧ {𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1} ∈ Fin) → ((♯‘(1...(ϕ‘𝑁))) = (♯‘{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}) ↔ (1...(ϕ‘𝑁)) ≈ {𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}))
18	11, 16, 17	syl2anc 411	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → ((♯‘(1...(ϕ‘𝑁))) = (♯‘{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}) ↔ (1...(ϕ‘𝑁)) ≈ {𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}))
19	7, 18	mpbid 147	. . 3 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (1...(ϕ‘𝑁)) ≈ {𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1})
20		bren 6842	. . 3 ⊢ ((1...(ϕ‘𝑁)) ≈ {𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1} ↔ ∃𝑓 𝑓:(1...(ϕ‘𝑁))–1-1-onto→{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1})
21	19, 20	sylib 122	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → ∃𝑓 𝑓:(1...(ϕ‘𝑁))–1-1-onto→{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1})
22		simpl 109	. . 3 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑓:(1...(ϕ‘𝑁))–1-1-onto→{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}) → (𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1))
23		simpr 110	. . 3 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑓:(1...(ϕ‘𝑁))–1-1-onto→{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}) → 𝑓:(1...(ϕ‘𝑁))–1-1-onto→{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1})
24	22, 15, 23	eulerthlemth 12598	. 2 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑓:(1...(ϕ‘𝑁))–1-1-onto→{𝑘 ∈ (0..^𝑁) ∣ (𝑘 gcd 𝑁) = 1}) → ((𝐴↑(ϕ‘𝑁)) mod 𝑁) = (1 mod 𝑁))
25	21, 24	exlimddv 1923	1 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → ((𝐴↑(ϕ‘𝑁)) mod 𝑁) = (1 mod 𝑁))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 104   ↔ wb 105   ∧ w3a 981   = wceq 1373  ∃wex 1516   ∈ wcel 2177  {crab 2489   class class class wbr 4047  –1-1-onto→wf1o 5275  ‘cfv 5276  (class class class)co 5951   ≈ cen 6832  Fincfn 6834  0cc0 7932  1c1 7933  ℕcn 9043  ℕ₀cn0 9302  ℤcz 9379  ...cfz 10137  ..^cfzo 10271   mod cmo 10474  ↑cexp 10690  ♯chash 10927   gcd cgcd 12318  ϕcphi 12575

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-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 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-sup 7093  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-n0 9303  df-z 9380  df-uz 9656  df-q 9748  df-rp 9783  df-fz 10138  df-fzo 10272  df-fl 10420  df-mod 10475  df-seqfrec 10600  df-exp 10691  df-ihash 10928  df-cj 11197  df-re 11198  df-im 11199  df-rsqrt 11353  df-abs 11354  df-clim 11634  df-proddc 11906  df-dvds 12143  df-gcd 12319  df-phi 12577

This theorem is referenced by:  fermltl  12600  prmdiv  12601  odzcllem  12609  odzphi  12613  vfermltl  12618  lgslem1  15521