Theorem ply1fermltlchr 22481

Description: Fermat's little theorem for polynomials in a commutative ring 𝐹 of characteristic 𝑃 prime: we have the polynomial equation (𝑋 + 𝐴)↑𝑃 = ((𝑋↑𝑃) + 𝐴). (Contributed by Thierry Arnoux, 9-Jan-2025.)

Hypotheses

Ref	Expression
ply1fermltlchr.w	⊢ 𝑊 = (Poly1‘𝐹)
ply1fermltlchr.x	⊢ 𝑋 = (var1‘𝐹)
ply1fermltlchr.l	⊢ + = (+g‘𝑊)
ply1fermltlchr.n	⊢ 𝑁 = (mulGrp‘𝑊)
ply1fermltlchr.t	⊢ ↑ = (.g‘𝑁)
ply1fermltlchr.c	⊢ 𝐶 = (algSc‘𝑊)
ply1fermltlchr.a	⊢ 𝐴 = (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))
ply1fermltlchr.p	⊢ 𝑃 = (chr‘𝐹)
ply1fermltlchr.f	⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ CRing)
ply1fermltlchr.1	⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℙ)
ply1fermltlchr.2	⊢ (𝜑 → 𝐸 ∈ ℤ)

Assertion

Ref	Expression
ply1fermltlchr	⊢ (𝜑 → (𝑃 ↑ (𝑋 + 𝐴)) = ((𝑃 ↑ 𝑋) + 𝐴))

Proof of Theorem ply1fermltlchr

Step	Hyp	Ref	Expression
1		eqid 2763	. . 3 ⊢ (Base‘𝑊) = (Base‘𝑊)
2		ply1fermltlchr.l	. . 3 ⊢ + = (+g‘𝑊)
3		ply1fermltlchr.t	. . . 4 ⊢ ↑ = (.g‘𝑁)
4		ply1fermltlchr.n	. . . . 5 ⊢ 𝑁 = (mulGrp‘𝑊)
5	4	fveq2i 6884	. . . 4 ⊢ (.g‘𝑁) = (.g‘(mulGrp‘𝑊))
6	3, 5	eqtri 2786	. . 3 ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑊))
7		eqid 2763	. . 3 ⊢ (chr‘𝑊) = (chr‘𝑊)
8		ply1fermltlchr.f	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ CRing)
9		ply1fermltlchr.w	. . . . 5 ⊢ 𝑊 = (Poly1‘𝐹)
10	9	ply1crng 22367	. . . 4 ⊢ (𝐹 ∈ CRing → 𝑊 ∈ CRing)
11	8, 10	syl 18	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑊 ∈ CRing)
12	9	ply1chr 22475	. . . . . 6 ⊢ (𝐹 ∈ CRing → (chr‘𝑊) = (chr‘𝐹))
13	8, 12	syl 18	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (chr‘𝑊) = (chr‘𝐹))
14		ply1fermltlchr.p	. . . . 5 ⊢ 𝑃 = (chr‘𝐹)
15	13, 14	eqtr4di 2816	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (chr‘𝑊) = 𝑃)
16		ply1fermltlchr.1	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℙ)
17	15, 16	eqeltrd 2863	. . 3 ⊢ (𝜑 → (chr‘𝑊) ∈ ℙ)
18	8	crngringd 20332	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ Ring)
19		ply1fermltlchr.x	. . . . 5 ⊢ 𝑋 = (var1‘𝐹)
20	19, 9, 1	vr1cl 22386	. . . 4 ⊢ (𝐹 ∈ Ring → 𝑋 ∈ (Base‘𝑊))
21	18, 20	syl 18	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ (Base‘𝑊))
22		ply1fermltlchr.a	. . . 4 ⊢ 𝐴 = (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))
23		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (ℤRHom‘𝐹) = (ℤRHom‘𝐹)
24	23	zrhrhm 21670	. . . . . . 7 ⊢ (𝐹 ∈ Ring → (ℤRHom‘𝐹) ∈ (ℤring RingHom 𝐹))
25		zringbas 21612	. . . . . . . 8 ⊢ ℤ = (Base‘ℤring)
26		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (Base‘𝐹) = (Base‘𝐹)
27	25, 26	rhmf 20572	. . . . . . 7 ⊢ ((ℤRHom‘𝐹) ∈ (ℤring RingHom 𝐹) → (ℤRHom‘𝐹):ℤ⟶(Base‘𝐹))
28	18, 24, 27	3syl 19	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (ℤRHom‘𝐹):ℤ⟶(Base‘𝐹))
29		ply1fermltlchr.2	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐸 ∈ ℤ)
30	28, 29	ffvelcdmd 7080	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸) ∈ (Base‘𝐹))
31		ply1fermltlchr.c	. . . . . 6 ⊢ 𝐶 = (algSc‘𝑊)
32	9, 31, 26, 1	ply1sclcl 22456	. . . . 5 ⊢ ((𝐹 ∈ Ring ∧ ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸) ∈ (Base‘𝐹)) → (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)) ∈ (Base‘𝑊))
33	18, 30, 32	syl2anc 595	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)) ∈ (Base‘𝑊))
34	22, 33	eqeltrid 2867	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ (Base‘𝑊))
35	1, 2, 6, 7, 11, 17, 21, 34	freshmansdream 21733	. 2 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ (𝑋 + 𝐴)) = (((chr‘𝑊) ↑ 𝑋) + ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴)))
36	15	oveq1d 7425	. 2 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ (𝑋 + 𝐴)) = (𝑃 ↑ (𝑋 + 𝐴)))
37	15	oveq1d 7425	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ 𝑋) = (𝑃 ↑ 𝑋))
38	15	oveq1d 7425	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴) = (𝑃 ↑ 𝐴))
39	9	ply1assa 22368	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐹 ∈ CRing → 𝑊 ∈ AssAlg)
40		eqid 2763	. . . . . . . . . 10 ⊢ (Scalar‘𝑊) = (Scalar‘𝑊)
41	31, 40	asclrhm 22049	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑊 ∈ AssAlg → 𝐶 ∈ ((Scalar‘𝑊) RingHom 𝑊))
42	8, 39, 41	3syl 19	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ((Scalar‘𝑊) RingHom 𝑊))
43	8	crnggrpd 20333	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ Grp)
44	9	ply1sca 22421	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐹 ∈ Grp → 𝐹 = (Scalar‘𝑊))
45	43, 44	syl 18	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐹 = (Scalar‘𝑊))
46	45	oveq1d 7425	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (𝐹 RingHom 𝑊) = ((Scalar‘𝑊) RingHom 𝑊))
47	42, 46	eleqtrrd 2866	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ (𝐹 RingHom 𝑊))
48		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (mulGrp‘𝐹) = (mulGrp‘𝐹)
49	48, 4	rhmmhm 20567	. . . . . . 7 ⊢ (𝐶 ∈ (𝐹 RingHom 𝑊) → 𝐶 ∈ ((mulGrp‘𝐹) MndHom 𝑁))
50	47, 49	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ((mulGrp‘𝐹) MndHom 𝑁))
51		prmnn 16736	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
52		nnnn0 12515	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℕ → 𝑃 ∈ ℕ0)
53	16, 51, 52	3syl 19	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℕ0)
54	48, 26	mgpbas 20225	. . . . . . 7 ⊢ (Base‘𝐹) = (Base‘(mulGrp‘𝐹))
55		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ (.g‘(mulGrp‘𝐹)) = (.g‘(mulGrp‘𝐹))
56	54, 55, 3	mhmmulg 19185	. . . . . 6 ⊢ ((𝐶 ∈ ((mulGrp‘𝐹) MndHom 𝑁) ∧ 𝑃 ∈ ℕ0 ∧ ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸) ∈ (Base‘𝐹)) → (𝐶‘(𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))) = (𝑃 ↑ (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))))
57	50, 53, 30, 56	syl3anc 1398	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐶‘(𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))) = (𝑃 ↑ (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))))
58	22	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐴 = (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)))
59	58	oveq2d 7426	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑃 ↑ 𝐴) = (𝑃 ↑ (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))))
60	57, 59	eqtr4d 2801	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐶‘(𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))) = (𝑃 ↑ 𝐴))
61		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸) = ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)
62	14, 26, 55, 61, 16, 29, 8	fermltlchr 21688	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)) = ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))
63	62	fveq2d 6885	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐶‘(𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))) = (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)))
64	63, 22	eqtr4di 2816	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐶‘(𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))) = 𝐴)
65	38, 60, 64	3eqtr2d 2804	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴) = 𝐴)
66	37, 65	oveq12d 7428	. 2 ⊢ (𝜑 → (((chr‘𝑊) ↑ 𝑋) + ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴)) = ((𝑃 ↑ 𝑋) + 𝐴))
67	35, 36, 66	3eqtr3d 2806	1 ⊢ (𝜑 → (𝑃 ↑ (𝑋 + 𝐴)) = ((𝑃 ↑ 𝑋) + 𝐴))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   = wceq 1570   ∈ wcel 2143  ⟶wf 6532  ‘cfv 6536  (class class class)co 7410  ℕcn 12237  ℕ₀cn0 12508  ℤcz 12595  ℙcprime 16733  Basecbs 17273  +_gcplusg 17314  Scalarcsca 17317   MndHom cmhm 18843  Grpcgrp 19004  ._gcmg 19137  mulGrpcmgp 20220  Ringcrg 20319  CRingccrg 20320   RingHom crh 20556  ℤ_ringczring 21605  ℤRHomczrh 21658  chrcchr 21660  AssAlgcasa 22009  algSccascl 22011  var₁cv1 22345  Poly₁cpl1 22346

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1825  ax-4 1839  ax-5 1940  ax-6 1997  ax-7 2038  ax-8 2145  ax-9 2153  ax-10 2176  ax-11 2192  ax-12 2213  ax-ext 2735  ax-rep 5238  ax-sep 5257  ax-nul 5269  ax-pow 5336  ax-pr 5404  ax-un 7732  ax-cnex 11160  ax-resscn 11161  ax-1cn 11162  ax-icn 11163  ax-addcl 11164  ax-addrcl 11165  ax-mulcl 11166  ax-mulrcl 11167  ax-mulcom 11168  ax-addass 11169  ax-mulass 11170  ax-distr 11171  ax-i2m1 11172  ax-1ne0 11173  ax-1rid 11174  ax-rnegex 11175  ax-rrecex 11176  ax-cnre 11177  ax-pre-lttri 11178  ax-pre-lttrn 11179  ax-pre-ltadd 11180  ax-pre-mulgt0 11181  ax-pre-sup 11182  ax-addf 11183  ax-mulf 11184

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1810  df-nf 1814  df-sb 2097  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2838  df-nfc 2912  df-ne 2959  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3457  df-sbc 3745  df-csb 3854  df-dif 3908  df-un 3910  df-in 3912  df-ss 3922  df-pss 3925  df-nul 4287  df-if 4488  df-pw 4564  df-sn 4590  df-pr 4592  df-tp 4594  df-op 4596  df-uni 4873  df-int 4913  df-iun 4958  df-iin 4959  df-br 5110  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-tr 5219  df-id 5556  df-eprel 5561  df-po 5569  df-so 5570  df-fr 5614  df-se 5615  df-we 5616  df-xp 5667  df-rel 5668  df-cnv 5669  df-co 5670  df-dm 5671  df-rn 5672  df-res 5673  df-ima 5674  df-pred 6302  df-ord 6363  df-on 6364  df-lim 6365  df-suc 6366  df-iota 6492  df-fun 6538  df-fn 6539  df-f 6540  df-f1 6541  df-fo 6542  df-f1o 6543  df-fv 6544  df-isom 6545  df-riota 7367  df-ov 7413  df-oprab 7414  df-mpo 7415  df-of 7674  df-ofr 7675  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-supp 8153  df-tpos 8218  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-2o 8450  df-oadd 8453  df-er 8690  df-map 8822  df-pm 8823  df-ixp 8892  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-fsupp 9318  df-sup 9398  df-inf 9399  df-oi 9468  df-dju 9892  df-card 9930  df-pnf 11249  df-mnf 11250  df-xr 11251  df-ltxr 11252  df-le 11253  df-sub 11447  df-neg 11448  df-div 11876  df-nn 12238  df-2 12307  df-3 12308  df-4 12309  df-5 12310  df-6 12311  df-7 12312  df-8 12313  df-9 12314  df-n0 12509  df-xnn0 12582  df-z 12596  df-dec 12716  df-uz 12867  df-rp 13021  df-fz 13540  df-fzo 13688  df-fl 13830  df-mod 13908  df-seq 14043  df-exp 14103  df-fac 14315  df-bc 14344  df-hash 14372  df-cj 15155  df-re 15156  df-im 15157  df-sqrt 15291  df-abs 15292  df-dvds 16315  df-gcd 16557  df-prm 16734  df-phi 16829  df-struct 17211  df-sets 17228  df-slot 17246  df-ndx 17258  df-base 17274  df-ress 17295  df-plusg 17327  df-mulr 17328  df-starv 17329  df-sca 17330  df-vsca 17331  df-ip 17332  df-tset 17333  df-ple 17334  df-ds 17336  df-unif 17337  df-hom 17338  df-cco 17339  df-0g 17498  df-gsum 17499  df-prds 17504  df-pws 17506  df-mre 17642  df-mrc 17643  df-acs 17645  df-mgm 18702  df-sgrp 18781  df-mnd 18797  df-mhm 18845  df-submnd 18846  df-grp 19007  df-minusg 19008  df-sbg 19009  df-mulg 19138  df-subg 19193  df-ghm 19288  df-cntz 19391  df-od 19602  df-cmn 19856  df-abl 19857  df-mgp 20221  df-rng 20235  df-ur 20268  df-srg 20273  df-ring 20321  df-cring 20322  df-oppr 20424  df-dvdsr 20444  df-unit 20445  df-invr 20475  df-dvr 20488  df-rhm 20559  df-subrng 20654  df-subrg 20678  df-drng 20838  df-lmod 20992  df-lss 21062  df-cnfld 21532  df-zring 21606  df-zrh 21662  df-chr 21664  df-assa 22012  df-ascl 22014  df-psr 22068  df-mvr 22069  df-mpl 22070  df-opsr 22072  df-psr1 22349  df-vr1 22350  df-ply1 22351  df-coe1 22352

This theorem is used by:  ply1fermltl  33885  aks6d1c1p2  42904