Theorem ply1fermltlchr 22441

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 2769	. . 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 6885	. . . 4 ⊢ (.g‘𝑁) = (.g‘(mulGrp‘𝑊))
6	3, 5	eqtri 2792	. . 3 ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑊))
7		eqid 2769	. . 3 ⊢ (chr‘𝑊) = (chr‘𝑊)
8		ply1fermltlchr.f	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ CRing)
9		ply1fermltlchr.w	. . . . 5 ⊢ 𝑊 = (Poly1‘𝐹)
10	9	ply1crng 22327	. . . 4 ⊢ (𝐹 ∈ CRing → 𝑊 ∈ CRing)
11	8, 10	syl 18	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑊 ∈ CRing)
12	9	ply1chr 22435	. . . . . 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 2822	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (chr‘𝑊) = 𝑃)
16		ply1fermltlchr.1	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℙ)
17	15, 16	eqeltrd 2869	. . 3 ⊢ (𝜑 → (chr‘𝑊) ∈ ℙ)
18	8	crngringd 20328	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ Ring)
19		ply1fermltlchr.x	. . . . 5 ⊢ 𝑋 = (var1‘𝐹)
20	19, 9, 1	vr1cl 22346	. . . 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 2769	. . . . . . . 8 ⊢ (ℤRHom‘𝐹) = (ℤRHom‘𝐹)
24	23	zrhrhm 21630	. . . . . . 7 ⊢ (𝐹 ∈ Ring → (ℤRHom‘𝐹) ∈ (ℤring RingHom 𝐹))
25		zringbas 21572	. . . . . . . 8 ⊢ ℤ = (Base‘ℤring)
26		eqid 2769	. . . . . . . 8 ⊢ (Base‘𝐹) = (Base‘𝐹)
27	25, 26	rhmf 20566	. . . . . . 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 7081	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸) ∈ (Base‘𝐹))
31		ply1fermltlchr.c	. . . . . 6 ⊢ 𝐶 = (algSc‘𝑊)
32	9, 31, 26, 1	ply1sclcl 22416	. . . . 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 2873	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ (Base‘𝑊))
35	1, 2, 6, 7, 11, 17, 21, 34	freshmansdream 21693	. 2 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ (𝑋 + 𝐴)) = (((chr‘𝑊) ↑ 𝑋) + ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴)))
36	15	oveq1d 7426	. 2 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ (𝑋 + 𝐴)) = (𝑃 ↑ (𝑋 + 𝐴)))
37	15	oveq1d 7426	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ 𝑋) = (𝑃 ↑ 𝑋))
38	15	oveq1d 7426	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴) = (𝑃 ↑ 𝐴))
39	9	ply1assa 22328	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐹 ∈ CRing → 𝑊 ∈ AssAlg)
40		eqid 2769	. . . . . . . . . 10 ⊢ (Scalar‘𝑊) = (Scalar‘𝑊)
41	31, 40	asclrhm 22009	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑊 ∈ AssAlg → 𝐶 ∈ ((Scalar‘𝑊) RingHom 𝑊))
42	8, 39, 41	3syl 19	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ((Scalar‘𝑊) RingHom 𝑊))
43	8	crnggrpd 20329	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ Grp)
44	9	ply1sca 22381	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐹 ∈ Grp → 𝐹 = (Scalar‘𝑊))
45	43, 44	syl 18	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐹 = (Scalar‘𝑊))
46	45	oveq1d 7426	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (𝐹 RingHom 𝑊) = ((Scalar‘𝑊) RingHom 𝑊))
47	42, 46	eleqtrrd 2872	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ (𝐹 RingHom 𝑊))
48		eqid 2769	. . . . . . . 8 ⊢ (mulGrp‘𝐹) = (mulGrp‘𝐹)
49	48, 4	rhmmhm 20561	. . . . . . 7 ⊢ (𝐶 ∈ (𝐹 RingHom 𝑊) → 𝐶 ∈ ((mulGrp‘𝐹) MndHom 𝑁))
50	47, 49	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ((mulGrp‘𝐹) MndHom 𝑁))
51		prmnn 16732	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
52		nnnn0 12511	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℕ → 𝑃 ∈ ℕ0)
53	16, 51, 52	3syl 19	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℕ0)
54	48, 26	mgpbas 20221	. . . . . . 7 ⊢ (Base‘𝐹) = (Base‘(mulGrp‘𝐹))
55		eqid 2769	. . . . . . 7 ⊢ (.g‘(mulGrp‘𝐹)) = (.g‘(mulGrp‘𝐹))
56	54, 55, 3	mhmmulg 19181	. . . . . 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 1396	. . . . 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 7427	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑃 ↑ 𝐴) = (𝑃 ↑ (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))))
60	57, 59	eqtr4d 2807	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐶‘(𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))) = (𝑃 ↑ 𝐴))
61		eqid 2769	. . . . . . 7 ⊢ ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸) = ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)
62	14, 26, 55, 61, 16, 29, 8	fermltlchr 21648	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)) = ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))
63	62	fveq2d 6886	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐶‘(𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))) = (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)))
64	63, 22	eqtr4di 2822	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐶‘(𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))) = 𝐴)
65	38, 60, 64	3eqtr2d 2810	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴) = 𝐴)
66	37, 65	oveq12d 7429	. 2 ⊢ (𝜑 → (((chr‘𝑊) ↑ 𝑋) + ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴)) = ((𝑃 ↑ 𝑋) + 𝐴))
67	35, 36, 66	3eqtr3d 2812	1 ⊢ (𝜑 → (𝑃 ↑ (𝑋 + 𝐴)) = ((𝑃 ↑ 𝑋) + 𝐴))

Syntax hints:   → wi 4   = wceq 1567   ∈ wcel 2149  ⟶wf 6533  ‘cfv 6537  (class class class)co 7411  ℕcn 12233  ℕ₀cn0 12504  ℤcz 12591  ℙcprime 16729  Basecbs 17269  +_gcplusg 17310  Scalarcsca 17313   MndHom cmhm 18839  Grpcgrp 19000  ._gcmg 19133  mulGrpcmgp 20216  Ringcrg 20315  CRingccrg 20316   RingHom crh 20551  ℤ_ringczring 21565  ℤRHomczrh 21618  chrcchr 21620  AssAlgcasa 21969  algSccascl 21971  var₁cv1 22305  Poly₁cpl1 22306

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1822  ax-4 1836  ax-5 1937  ax-6 1994  ax-7 2035  ax-8 2151  ax-9 2159  ax-10 2182  ax-11 2198  ax-12 2219  ax-ext 2741  ax-rep 5242  ax-sep 5261  ax-nul 5271  ax-pow 5337  ax-pr 5405  ax-un 7733  ax-cnex 11156  ax-resscn 11157  ax-1cn 11158  ax-icn 11159  ax-addcl 11160  ax-addrcl 11161  ax-mulcl 11162  ax-mulrcl 11163  ax-mulcom 11164  ax-addass 11165  ax-mulass 11166  ax-distr 11167  ax-i2m1 11168  ax-1ne0 11169  ax-1rid 11170  ax-rnegex 11171  ax-rrecex 11172  ax-cnre 11173  ax-pre-lttri 11174  ax-pre-lttrn 11175  ax-pre-ltadd 11176  ax-pre-mulgt0 11177  ax-pre-sup 11178  ax-addf 11179  ax-mulf 11180

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1102  df-3an 1103  df-tru 1570  df-fal 1580  df-ex 1807  df-nf 1811  df-sb 2098  df-mo 2573  df-eu 2603  df-clab 2748  df-cleq 2761  df-clel 2844  df-nfc 2918  df-ne 2965  df-nel 3071  df-ral 3086  df-rex 3096  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3424  df-v 3465  df-sbc 3754  df-csb 3862  df-dif 3916  df-un 3918  df-in 3920  df-ss 3930  df-pss 3933  df-nul 4295  df-if 4493  df-pw 4569  df-sn 4595  df-pr 4597  df-tp 4599  df-op 4601  df-uni 4877  df-int 4917  df-iun 4962  df-iin 4963  df-br 5114  df-opab 5178  df-mpt 5197  df-tr 5223  df-id 5557  df-eprel 5562  df-po 5570  df-so 5571  df-fr 5615  df-se 5616  df-we 5617  df-xp 5668  df-rel 5669  df-cnv 5670  df-co 5671  df-dm 5672  df-rn 5673  df-res 5674  df-ima 5675  df-pred 6303  df-ord 6364  df-on 6365  df-lim 6366  df-suc 6367  df-iota 6493  df-fun 6539  df-fn 6540  df-f 6541  df-f1 6542  df-fo 6543  df-f1o 6544  df-fv 6545  df-isom 6546  df-riota 7368  df-ov 7414  df-oprab 7415  df-mpo 7416  df-of 7675  df-ofr 7676  df-om 7863  df-1st 7986  df-2nd 7987  df-supp 8157  df-tpos 8222  df-frecs 8278  df-wrecs 8309  df-recs 8358  df-rdg 8397  df-1o 8453  df-2o 8454  df-oadd 8457  df-er 8694  df-map 8826  df-pm 8827  df-ixp 8896  df-en 8944  df-dom 8945  df-sdom 8946  df-fin 8947  df-fsupp 9322  df-sup 9402  df-inf 9403  df-oi 9472  df-dju 9887  df-card 9925  df-pnf 11245  df-mnf 11246  df-xr 11247  df-ltxr 11248  df-le 11249  df-sub 11443  df-neg 11444  df-div 11872  df-nn 12234  df-2 12303  df-3 12304  df-4 12305  df-5 12306  df-6 12307  df-7 12308  df-8 12309  df-9 12310  df-n0 12505  df-xnn0 12578  df-z 12592  df-dec 12712  df-uz 12863  df-rp 13017  df-fz 13536  df-fzo 13683  df-fl 13825  df-mod 13903  df-seq 14038  df-exp 14098  df-fac 14310  df-bc 14339  df-hash 14367  df-cj 15150  df-re 15151  df-im 15152  df-sqrt 15286  df-abs 15287  df-dvds 16311  df-gcd 16553  df-prm 16730  df-phi 16825  df-struct 17207  df-sets 17224  df-slot 17242  df-ndx 17254  df-base 17270  df-ress 17291  df-plusg 17323  df-mulr 17324  df-starv 17325  df-sca 17326  df-vsca 17327  df-ip 17328  df-tset 17329  df-ple 17330  df-ds 17332  df-unif 17333  df-hom 17334  df-cco 17335  df-0g 17494  df-gsum 17495  df-prds 17500  df-pws 17502  df-mre 17638  df-mrc 17639  df-acs 17641  df-mgm 18698  df-sgrp 18777  df-mnd 18793  df-mhm 18841  df-submnd 18842  df-grp 19003  df-minusg 19004  df-sbg 19005  df-mulg 19134  df-subg 19189  df-ghm 19284  df-cntz 19387  df-od 19598  df-cmn 19852  df-abl 19853  df-mgp 20217  df-rng 20231  df-ur 20264  df-srg 20269  df-ring 20317  df-cring 20318  df-oppr 20419  df-dvdsr 20439  df-unit 20440  df-invr 20470  df-dvr 20483  df-rhm 20554  df-subrng 20631  df-subrg 20655  df-drng 20815  df-lmod 20961  df-lss 21031  df-cnfld 21492  df-zring 21566  df-zrh 21622  df-chr 21624  df-assa 21972  df-ascl 21974  df-psr 22028  df-mvr 22029  df-mpl 22030  df-opsr 22032  df-psr1 22309  df-vr1 22310  df-ply1 22311  df-coe1 22312

This theorem is referenced by:  ply1fermltl  33821  aks6d1c1p2  42800