Theorem pythag 26944

Description: Pythagorean theorem. Given three distinct points A, B, and C that form a right triangle (with the right angle at C), prove a relationship between their segment lengths. This theorem is expressed using the complex number plane as a plane, where 𝐹 is the signed angle construct (as used in ang180 26941), 𝑋 is the distance of line segment BC, 𝑌 is the distance of line segment AC, 𝑍 is the distance of line segment AB (the hypotenuse), and 𝑂 is the signed right angle m/_ BCA. We use the law of cosines lawcos 26943 to prove this, along with simple trigonometry facts like coshalfpi 26596 and cosneg 16199. (Contributed by David A. Wheeler, 13-Jun-2015.)

Hypotheses

Ref	Expression
lawcos.1	⊢ 𝐹 = (𝑥 ∈ (ℂ ∖ {0}), 𝑦 ∈ (ℂ ∖ {0}) ↦ (ℑ‘(log‘(𝑦 / 𝑥))))
lawcos.2	⊢ 𝑋 = (abs‘(𝐵 − 𝐶))
lawcos.3	⊢ 𝑌 = (abs‘(𝐴 − 𝐶))
lawcos.4	⊢ 𝑍 = (abs‘(𝐴 − 𝐵))
lawcos.5	⊢ 𝑂 = ((𝐵 − 𝐶)𝐹(𝐴 − 𝐶))

Assertion

Ref	Expression
pythag	⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (𝑍↑2) = ((𝑋↑2) + (𝑌↑2)))

Distinct variable groups:   𝑥,𝑦,𝐴   𝑥,𝐵,𝑦   𝑥,𝐶,𝑦

Allowed substitution hints:   𝐹(𝑥,𝑦)   𝑂(𝑥,𝑦)   𝑋(𝑥,𝑦)   𝑌(𝑥,𝑦)   𝑍(𝑥,𝑦)

Proof of Theorem pythag

Step	Hyp	Ref	Expression
1		lawcos.1	. . . 4 ⊢ 𝐹 = (𝑥 ∈ (ℂ ∖ {0}), 𝑦 ∈ (ℂ ∖ {0}) ↦ (ℑ‘(log‘(𝑦 / 𝑥))))
2		lawcos.2	. . . 4 ⊢ 𝑋 = (abs‘(𝐵 − 𝐶))
3		lawcos.3	. . . 4 ⊢ 𝑌 = (abs‘(𝐴 − 𝐶))
4		lawcos.4	. . . 4 ⊢ 𝑍 = (abs‘(𝐴 − 𝐵))
5		lawcos.5	. . . 4 ⊢ 𝑂 = ((𝐵 − 𝐶)𝐹(𝐴 − 𝐶))
6	1, 2, 3, 4, 5	lawcos 26943	. . 3 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶)) → (𝑍↑2) = (((𝑋↑2) + (𝑌↑2)) − (2 · ((𝑋 · 𝑌) · (cos‘𝑂)))))
7	6	3adant3 1148	. 2 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (𝑍↑2) = (((𝑋↑2) + (𝑌↑2)) − (2 · ((𝑋 · 𝑌) · (cos‘𝑂)))))
8		elpri 4615	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)} → (𝑂 = (π / 2) ∨ 𝑂 = -(π / 2)))
9		fveq2 6879	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑂 = (π / 2) → (cos‘𝑂) = (cos‘(π / 2)))
10		coshalfpi 26596	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (cos‘(π / 2)) = 0
11	9, 10	eqtrdi 2820	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑂 = (π / 2) → (cos‘𝑂) = 0)
12		fveq2 6879	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑂 = -(π / 2) → (cos‘𝑂) = (cos‘-(π / 2)))
13		cosneghalfpi 26597	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (cos‘-(π / 2)) = 0
14	12, 13	eqtrdi 2820	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑂 = -(π / 2) → (cos‘𝑂) = 0)
15	11, 14	jaoi 870	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑂 = (π / 2) ∨ 𝑂 = -(π / 2)) → (cos‘𝑂) = 0)
16	8, 15	syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)} → (cos‘𝑂) = 0)
17	16	3ad2ant3 1151	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (cos‘𝑂) = 0)
18	17	oveq2d 7424	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → ((𝑋 · 𝑌) · (cos‘𝑂)) = ((𝑋 · 𝑌) · 0))
19		subcl 11452	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) → (𝐵 − 𝐶) ∈ ℂ)
20	19	3adant1 1146	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) → (𝐵 − 𝐶) ∈ ℂ)
21	20	3ad2ant1 1149	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (𝐵 − 𝐶) ∈ ℂ)
22	21	abscld 15486	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (abs‘(𝐵 − 𝐶)) ∈ ℝ)
23	22	recnd 11233	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (abs‘(𝐵 − 𝐶)) ∈ ℂ)
24	2, 23	eqeltrid 2873	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → 𝑋 ∈ ℂ)
25		subcl 11452	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) → (𝐴 − 𝐶) ∈ ℂ)
26	25	3adant2 1147	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) → (𝐴 − 𝐶) ∈ ℂ)
27	26	3ad2ant1 1149	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (𝐴 − 𝐶) ∈ ℂ)
28	27	abscld 15486	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (abs‘(𝐴 − 𝐶)) ∈ ℝ)
29	28	recnd 11233	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (abs‘(𝐴 − 𝐶)) ∈ ℂ)
30	3, 29	eqeltrid 2873	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → 𝑌 ∈ ℂ)
31	24, 30	mulcld 11225	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (𝑋 · 𝑌) ∈ ℂ)
32	31	mul01d 11405	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → ((𝑋 · 𝑌) · 0) = 0)
33	18, 32	eqtrd 2804	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → ((𝑋 · 𝑌) · (cos‘𝑂)) = 0)
34	33	oveq2d 7424	. . . 4 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (2 · ((𝑋 · 𝑌) · (cos‘𝑂))) = (2 · 0))
35		2t0e0 12407	. . . 4 ⊢ (2 · 0) = 0
36	34, 35	eqtrdi 2820	. . 3 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (2 · ((𝑋 · 𝑌) · (cos‘𝑂))) = 0)
37	36	oveq2d 7424	. 2 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (((𝑋↑2) + (𝑌↑2)) − (2 · ((𝑋 · 𝑌) · (cos‘𝑂)))) = (((𝑋↑2) + (𝑌↑2)) − 0))
38	24	sqcld 14176	. . . 4 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (𝑋↑2) ∈ ℂ)
39	30	sqcld 14176	. . . 4 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (𝑌↑2) ∈ ℂ)
40	38, 39	addcld 11224	. . 3 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → ((𝑋↑2) + (𝑌↑2)) ∈ ℂ)
41	40	subid1d 11554	. 2 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (((𝑋↑2) + (𝑌↑2)) − 0) = ((𝑋↑2) + (𝑌↑2)))
42	7, 37, 41	3eqtrd 2808	1 ⊢ (((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℂ) ∧ (𝐴 ≠ 𝐶 ∧ 𝐵 ≠ 𝐶) ∧ 𝑂 ∈ {(π / 2), -(π / 2)}) → (𝑍↑2) = ((𝑋↑2) + (𝑌↑2)))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 400   ∨ wo 860   ∧ w3a 1101   = wceq 1567   ∈ wcel 2149   ≠ wne 2964   ∖ cdif 3910  {csn 4591  {cpr 4593  ‘cfv 6534  (class class class)co 7408   ∈ cmpo 7410  ℂcc 11094  0cc0 11096   + caddc 11099   · cmul 11101   − cmin 11437  -cneg 11438   / cdiv 11867  2c2 12291  ↑cexp 14093  ℑcim 15145  abscabs 15281  cosccos 16114  πcpi 16116  logclog 26681

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 5239  ax-sep 5258  ax-nul 5268  ax-pow 5334  ax-pr 5402  ax-un 7730  ax-inf2 9606  ax-cnex 11152  ax-resscn 11153  ax-1cn 11154  ax-icn 11155  ax-addcl 11156  ax-addrcl 11157  ax-mulcl 11158  ax-mulrcl 11159  ax-mulcom 11160  ax-addass 11161  ax-mulass 11162  ax-distr 11163  ax-i2m1 11164  ax-1ne0 11165  ax-1rid 11166  ax-rnegex 11167  ax-rrecex 11168  ax-cnre 11169  ax-pre-lttri 11170  ax-pre-lttrn 11171  ax-pre-ltadd 11172  ax-pre-mulgt0 11173  ax-pre-sup 11174  ax-addf 11175

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 4490  df-pw 4566  df-sn 4592  df-pr 4594  df-tp 4596  df-op 4598  df-uni 4874  df-int 4914  df-iun 4959  df-iin 4960  df-br 5111  df-opab 5175  df-mpt 5194  df-tr 5220  df-id 5554  df-eprel 5559  df-po 5567  df-so 5568  df-fr 5612  df-se 5613  df-we 5614  df-xp 5665  df-rel 5666  df-cnv 5667  df-co 5668  df-dm 5669  df-rn 5670  df-res 5671  df-ima 5672  df-pred 6300  df-ord 6361  df-on 6362  df-lim 6363  df-suc 6364  df-iota 6490  df-fun 6536  df-fn 6537  df-f 6538  df-f1 6539  df-fo 6540  df-f1o 6541  df-fv 6542  df-isom 6543  df-riota 7365  df-ov 7411  df-oprab 7412  df-mpo 7413  df-of 7672  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-supp 8153  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-2o 8450  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-fi 9367  df-sup 9398  df-inf 9399  df-oi 9468  df-card 9921  df-pnf 11241  df-mnf 11242  df-xr 11243  df-ltxr 11244  df-le 11245  df-sub 11439  df-neg 11440  df-div 11868  df-nn 12230  df-2 12299  df-3 12300  df-4 12301  df-5 12302  df-6 12303  df-7 12304  df-8 12305  df-9 12306  df-n0 12501  df-z 12588  df-dec 12708  df-uz 12859  df-q 12969  df-rp 13013  df-xneg 13133  df-xadd 13134  df-xmul 13135  df-ioo 13372  df-ioc 13373  df-ico 13374  df-icc 13375  df-fz 13532  df-fzo 13679  df-fl 13821  df-mod 13899  df-seq 14034  df-exp 14094  df-fac 14306  df-bc 14335  df-hash 14363  df-shft 15100  df-cj 15146  df-re 15147  df-im 15148  df-sqrt 15282  df-abs 15283  df-limsup 15518  df-clim 15535  df-rlim 15536  df-sum 15734  df-ef 16117  df-sin 16119  df-cos 16120  df-pi 16122  df-struct 17203  df-sets 17220  df-slot 17238  df-ndx 17250  df-base 17266  df-ress 17287  df-plusg 17319  df-mulr 17320  df-starv 17321  df-sca 17322  df-vsca 17323  df-ip 17324  df-tset 17325  df-ple 17326  df-ds 17328  df-unif 17329  df-hom 17330  df-cco 17331  df-rest 17471  df-topn 17472  df-0g 17490  df-gsum 17491  df-topgen 17492  df-pt 17493  df-prds 17496  df-xrs 17552  df-qtop 17557  df-imas 17558  df-xps 17560  df-mre 17634  df-mrc 17635  df-acs 17637  df-mgm 18694  df-sgrp 18773  df-mnd 18789  df-submnd 18838  df-mulg 19130  df-cntz 19383  df-cmn 19848  df-psmet 21479  df-xmet 21480  df-met 21481  df-bl 21482  df-mopn 21483  df-fbas 21484  df-fg 21485  df-cnfld 21488  df-top 23016  df-topon 23033  df-topsp 23055  df-bases 23068  df-cld 23141  df-ntr 23142  df-cls 23143  df-nei 23220  df-lp 23258  df-perf 23259  df-cn 23349  df-cnp 23350  df-haus 23437  df-tx 23684  df-hmeo 23877  df-fil 23968  df-fm 24060  df-flim 24061  df-flf 24062  df-xms 24442  df-ms 24443  df-tms 24444  df-cncf 25002  df-limc 25990  df-dv 25991  df-log 26683

This theorem is referenced by:  chordthmlem3  26961