Theorem ply1fermltlchr 22657

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 6908	. . . 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 22543	. . . 4 ⊢ (𝐹 ∈ CRing → 𝑊 ∈ CRing)
11	8, 10	syl 18	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑊 ∈ CRing)
12	9	ply1chr 22651	. . . . . 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 2864	. . 3 ⊢ (𝜑 → (chr‘𝑊) ∈ ℙ)
18	8	crngringd 20500	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ Ring)
19		ply1fermltlchr.x	. . . . 5 ⊢ 𝑋 = (var1‘𝐹)
20	19, 9, 1	vr1cl 22562	. . . 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 21844	. . . . . . 7 ⊢ (𝐹 ∈ Ring → (ℤRHom‘𝐹) ∈ (ℤring RingHom 𝐹))
25		zringbas 21786	. . . . . . . 8 ⊢ ℤ = (Base‘ℤring)
26		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (Base‘𝐹) = (Base‘𝐹)
27	25, 26	rhmf 20742	. . . . . . 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 7106	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸) ∈ (Base‘𝐹))
31		ply1fermltlchr.c	. . . . . 6 ⊢ 𝐶 = (algSc‘𝑊)
32	9, 31, 26, 1	ply1sclcl 22632	. . . . 5 ⊢ ((𝐹 ∈ Ring ∧ ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸) ∈ (Base‘𝐹)) → (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)) ∈ (Base‘𝑊))
33	18, 30, 32	syl2anc 596	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐶‘((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)) ∈ (Base‘𝑊))
34	22, 33	eqeltrid 2868	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ (Base‘𝑊))
35	1, 2, 6, 7, 11, 17, 21, 34	freshmansdream 21907	. 2 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ (𝑋 + 𝐴)) = (((chr‘𝑊) ↑ 𝑋) + ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴)))
36	15	oveq1d 7455	. 2 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ (𝑋 + 𝐴)) = (𝑃 ↑ (𝑋 + 𝐴)))
37	15	oveq1d 7455	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ 𝑋) = (𝑃 ↑ 𝑋))
38	15	oveq1d 7455	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((chr‘𝑊) ↑ 𝐴) = (𝑃 ↑ 𝐴))
39	9	ply1assa 22544	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐹 ∈ CRing → 𝑊 ∈ AssAlg)
40		eqid 2763	. . . . . . . . . 10 ⊢ (Scalar‘𝑊) = (Scalar‘𝑊)
41	31, 40	asclrhm 22225	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑊 ∈ AssAlg → 𝐶 ∈ ((Scalar‘𝑊) RingHom 𝑊))
42	8, 39, 41	3syl 19	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ((Scalar‘𝑊) RingHom 𝑊))
43	8	crnggrpd 20501	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ Grp)
44	9	ply1sca 22597	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐹 ∈ Grp → 𝐹 = (Scalar‘𝑊))
45	43, 44	syl 18	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐹 = (Scalar‘𝑊))
46	45	oveq1d 7455	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (𝐹 RingHom 𝑊) = ((Scalar‘𝑊) RingHom 𝑊))
47	42, 46	eleqtrrd 2867	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ (𝐹 RingHom 𝑊))
48		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (mulGrp‘𝐹) = (mulGrp‘𝐹)
49	48, 4	rhmmhm 20737	. . . . . . 7 ⊢ (𝐶 ∈ (𝐹 RingHom 𝑊) → 𝐶 ∈ ((mulGrp‘𝐹) MndHom 𝑁))
50	47, 49	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ((mulGrp‘𝐹) MndHom 𝑁))
51		prmnn 16875	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
52		nnnn0 12637	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℕ → 𝑃 ∈ ℕ0)
53	16, 51, 52	3syl 19	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℕ0)
54	48, 26	mgpbas 20392	. . . . . . 7 ⊢ (Base‘𝐹) = (Base‘(mulGrp‘𝐹))
55		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ (.g‘(mulGrp‘𝐹)) = (.g‘(mulGrp‘𝐹))
56	54, 55, 3	mhmmulg 19351	. . . . . 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 1399	. . . . 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 7456	. . . . 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 21862	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑃(.g‘(mulGrp‘𝐹))((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸)) = ((ℤRHom‘𝐹)‘𝐸))
63	62	fveq2d 6909	. . . . 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 7458	. 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 2147  ⟶wf 6551  ‘cfv 6555  (class class class)co 7440  ℕcn 12359  ℕ₀cn0 12630  ℤcz 12717  ℙcprime 16872  Basecbs 17413  +_gcplusg 17454  Scalarcsca 17457   MndHom cmhm 19002  Grpcgrp 19170  ._gcmg 19303  mulGrpcmgp 20387  Ringcrg 20486  CRingccrg 20487   RingHom crh 20726  ℤ_ringczring 21779  ℤRHomczrh 21832  chrcchr 21834  AssAlgcasa 22185  algSccascl 22187  var₁cv1 22521  Poly₁cpl1 22522

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1945  ax-6 2002  ax-7 2043  ax-8 2149  ax-9 2157  ax-10 2180  ax-11 2197  ax-12 2216  ax-ext 2735  ax-rep 5235  ax-sep 5252  ax-nul 5263  ax-pow 5331  ax-pr 5395  ax-un 7772  ax-cnex 11280  ax-resscn 11281  ax-1cn 11282  ax-icn 11283  ax-addcl 11284  ax-addrcl 11285  ax-mulcl 11286  ax-mulrcl 11287  ax-mulcom 11288  ax-addass 11289  ax-mulass 11290  ax-distr 11291  ax-i2m1 11292  ax-1ne0 11293  ax-1rid 11294  ax-rnegex 11295  ax-rrecex 11296  ax-cnre 11297  ax-pre-lttri 11298  ax-pre-lttrn 11299  ax-pre-ltadd 11300  ax-pre-mulgt0 11301  ax-pre-sup 11302  ax-addf 11303  ax-mulf 11304

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2102  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2839  df-nfc 2913  df-ne 2960  df-nel 3066  df-ral 3081  df-rex 3091  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3456  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-ss 3901  df-pss 4017  df-dif 4050  df-in 4094  df-un 4154  df-nul 4282  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4589  df-pr 4591  df-tp 4593  df-op 4839  df-uni 4871  df-int 4911  df-iun 4956  df-iin 4957  df-br 5107  df-opab 5171  df-mpt 5190  df-tr 5216  df-id 5550  df-eprel 5555  df-po 5563  df-so 5564  df-fr 5608  df-se 5609  df-we 5610  df-xp 5661  df-rel 5662  df-cnv 5663  df-co 5664  df-dm 5665  df-rn 5666  df-res 5667  df-ima 5668  df-pred 6319  df-ord 6380  df-on 6381  df-lim 6382  df-suc 6383  df-iota 6509  df-fun 6557  df-fn 6558  df-f 6559  df-f1 6560  df-fo 6561  df-f1o 6562  df-fv 6563  df-isom 6564  df-riota 7397  df-ov 7443  df-oprab 7444  df-mpo 7445  df-of 7714  df-ofr 7715  df-om 7899  df-1st 8022  df-2nd 8023  df-supp 8202  df-tpos 8268  df-frecs 8324  df-wrecs 8355  df-recs 8404  df-rdg 8443  df-1o 8501  df-2o 8502  df-oadd 8505  df-er 8742  df-map 8874  df-pm 8875  df-ixp 8951  df-en 8999  df-dom 9000  df-sdom 9001  df-fin 9002  df-fsupp 9379  df-sup 9458  df-inf 9459  df-oi 9528  df-dju 10006  df-card 10044  df-pnf 11369  df-mnf 11370  df-xr 11371  df-ltxr 11372  df-le 11373  df-sub 11567  df-neg 11568  df-div 11998  df-nn 12360  df-2 12429  df-3 12430  df-4 12431  df-5 12432  df-6 12433  df-7 12434  df-8 12435  df-9 12436  df-n0 12631  df-xnn0 12704  df-z 12718  df-dec 12839  df-uz 12990  df-rp 13145  df-fz 13664  df-fzo 13813  df-fl 13956  df-mod 14034  df-seq 14169  df-exp 14229  df-fac 14442  df-bc 14471  df-hash 14499  df-cj 15292  df-re 15293  df-im 15294  df-sqrt 15428  df-abs 15429  df-dvds 16449  df-gcd 16691  df-prm 16873  df-phi 16969  df-struct 17351  df-sets 17368  df-slot 17386  df-ndx 17398  df-base 17414  df-ress 17435  df-plusg 17467  df-mulr 17468  df-starv 17469  df-sca 17470  df-vsca 17471  df-ip 17472  df-tset 17473  df-ple 17474  df-ds 17476  df-unif 17477  df-hom 17478  df-cco 17479  df-0g 17638  df-gsum 17639  df-prds 17644  df-pws 17646  df-mre 17782  df-mrc 17783  df-acs 17785  df-mgm 18842  df-sgrp 18934  df-mnd 18950  df-mhm 19004  df-submnd 19005  df-grp 19173  df-minusg 19174  df-sbg 19175  df-mulg 19304  df-subg 19359  df-ghm 19454  df-cntz 19558  df-od 19769  df-cmn 20023  df-abl 20024  df-mgp 20388  df-rng 20402  df-ur 20435  df-srg 20440  df-ring 20488  df-cring 20489  df-oppr 20594  df-dvdsr 20614  df-unit 20615  df-invr 20645  df-dvr 20658  df-rhm 20729  df-subrng 20825  df-subrg 20849  df-drng 21009  df-lmod 21164  df-lss 21234  df-cnfld 21706  df-zring 21780  df-zrh 21836  df-chr 21838  df-assa 22188  df-ascl 22190  df-psr 22244  df-mvr 22245  df-mpl 22246  df-opsr 22248  df-psr1 22525  df-vr1 22526  df-ply1 22527  df-coe1 22528

This theorem is used by:  ply1fermltl  34185  aks6d1c1p2  43350