MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  relexpaddnn Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem relexpaddnn 15204
Description: Relation composition becomes addition under exponentiation. (Contributed by RP, 23-May-2020.)
Assertion
Ref Expression
relexpaddnn ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑁) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑁 + 𝑀)))

Proof of Theorem relexpaddnn
Dummy variables 𝑛 𝑘 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 oveq2 7428 . . . . . 6 (𝑛 = 1 → (𝑅↑𝑟𝑛) = (𝑅↑𝑟1))
21coeq1d 5838 . . . . 5 (𝑛 = 1 → ((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = ((𝑅↑𝑟1) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)))
3 oveq1 7427 . . . . . 6 (𝑛 = 1 → (𝑛 + 𝑀) = (1 + 𝑀))
43oveq2d 7436 . . . . 5 (𝑛 = 1 → (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀)) = (𝑅↑𝑟(1 + 𝑀)))
52, 4eqeq12d 2776 . . . 4 (𝑛 = 1 → (((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀)) ↔ ((𝑅↑𝑟1) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(1 + 𝑀))))
65imbi2d 343 . . 3 (𝑛 = 1 → (((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀))) ↔ ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟1) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(1 + 𝑀)))))
7 oveq2 7428 . . . . . 6 (𝑛 = 𝑘 → (𝑅↑𝑟𝑛) = (𝑅↑𝑟𝑘))
87coeq1d 5838 . . . . 5 (𝑛 = 𝑘 → ((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)))
9 oveq1 7427 . . . . . 6 (𝑛 = 𝑘 → (𝑛 + 𝑀) = (𝑘 + 𝑀))
109oveq2d 7436 . . . . 5 (𝑛 = 𝑘 → (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀)))
118, 10eqeq12d 2776 . . . 4 (𝑛 = 𝑘 → (((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀)) ↔ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))))
1211imbi2d 343 . . 3 (𝑛 = 𝑘 → (((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀))) ↔ ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀)))))
13 oveq2 7428 . . . . . 6 (𝑛 = (𝑘 + 1) → (𝑅↑𝑟𝑛) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)))
1413coeq1d 5838 . . . . 5 (𝑛 = (𝑘 + 1) → ((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = ((𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)))
15 oveq1 7427 . . . . . 6 (𝑛 = (𝑘 + 1) → (𝑛 + 𝑀) = ((𝑘 + 1) + 𝑀))
1615oveq2d 7436 . . . . 5 (𝑛 = (𝑘 + 1) → (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀)) = (𝑅↑𝑟((𝑘 + 1) + 𝑀)))
1714, 16eqeq12d 2776 . . . 4 (𝑛 = (𝑘 + 1) → (((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀)) ↔ ((𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟((𝑘 + 1) + 𝑀))))
1817imbi2d 343 . . 3 (𝑛 = (𝑘 + 1) → (((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀))) ↔ ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟((𝑘 + 1) + 𝑀)))))
19 oveq2 7428 . . . . . 6 (𝑛 = 𝑁 → (𝑅↑𝑟𝑛) = (𝑅↑𝑟𝑁))
2019coeq1d 5838 . . . . 5 (𝑛 = 𝑁 → ((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = ((𝑅↑𝑟𝑁) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)))
21 oveq1 7427 . . . . . 6 (𝑛 = 𝑁 → (𝑛 + 𝑀) = (𝑁 + 𝑀))
2221oveq2d 7436 . . . . 5 (𝑛 = 𝑁 → (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑁 + 𝑀)))
2320, 22eqeq12d 2776 . . . 4 (𝑛 = 𝑁 → (((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀)) ↔ ((𝑅↑𝑟𝑁) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑁 + 𝑀))))
2423imbi2d 343 . . 3 (𝑛 = 𝑁 → (((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑛) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑛 + 𝑀))) ↔ ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑁) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑁 + 𝑀)))))
25 relexp1g 15179 . . . . . 6 (𝑅 ∈ 𝑉 → (𝑅↑𝑟1) = 𝑅)
2625adantl 487 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → (𝑅↑𝑟1) = 𝑅)
2726coeq1d 5838 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟1) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)))
28 relexpsucnnl 15183 . . . . 5 ((𝑅 ∈ 𝑉 ∧ 𝑀 ∈ ℕ) → (𝑅↑𝑟(𝑀 + 1)) = (𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)))
2928ancoms 464 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → (𝑅↑𝑟(𝑀 + 1)) = (𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)))
30 simpl 488 . . . . . . 7 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → 𝑀 ∈ ℕ)
3130nncnd 12351 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → 𝑀 ∈ ℂ)
32 1cnd 11302 . . . . . 6 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → 1 ∈ ℂ)
3331, 32addcomd 11512 . . . . 5 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → (𝑀 + 1) = (1 + 𝑀))
3433oveq2d 7436 . . . 4 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → (𝑅↑𝑟(𝑀 + 1)) = (𝑅↑𝑟(1 + 𝑀)))
3527, 29, 343eqtr2d 2801 . . 3 ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟1) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(1 + 𝑀)))
36 simp2r 1219 . . . . . . . . 9 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → 𝑅 ∈ 𝑉)
37 simp1 1154 . . . . . . . . 9 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → 𝑘 ∈ ℕ)
38 relexpsucnnl 15183 . . . . . . . . 9 ((𝑅 ∈ 𝑉 ∧ 𝑘 ∈ ℕ) → (𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) = (𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟𝑘)))
3936, 37, 38syl2anc 596 . . . . . . . 8 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → (𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) = (𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟𝑘)))
4039coeq1d 5838 . . . . . . 7 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → ((𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = ((𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟𝑘)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)))
41 coass 6267 . . . . . . 7 ((𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟𝑘)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅 ∘ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)))
4240, 41eqtrdi 2811 . . . . . 6 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → ((𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅 ∘ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀))))
43 simp3 1156 . . . . . . 7 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀)))
4443coeq2d 5839 . . . . . 6 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → (𝑅 ∘ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀))) = (𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))))
4537nncnd 12351 . . . . . . . . 9 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → 𝑘 ∈ ℂ)
46 1cnd 11302 . . . . . . . . 9 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → 1 ∈ ℂ)
47313ad2ant2 1152 . . . . . . . . 9 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → 𝑀 ∈ ℂ)
4845, 46, 47add32d 11538 . . . . . . . 8 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → ((𝑘 + 1) + 𝑀) = ((𝑘 + 𝑀) + 1))
4948oveq2d 7436 . . . . . . 7 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → (𝑅↑𝑟((𝑘 + 1) + 𝑀)) = (𝑅↑𝑟((𝑘 + 𝑀) + 1)))
50303ad2ant2 1152 . . . . . . . . 9 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → 𝑀 ∈ ℕ)
5137, 50nnaddcld 12390 . . . . . . . 8 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → (𝑘 + 𝑀) ∈ ℕ)
52 relexpsucnnl 15183 . . . . . . . 8 ((𝑅 ∈ 𝑉 ∧ (𝑘 + 𝑀) ∈ ℕ) → (𝑅↑𝑟((𝑘 + 𝑀) + 1)) = (𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))))
5336, 51, 52syl2anc 596 . . . . . . 7 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → (𝑅↑𝑟((𝑘 + 𝑀) + 1)) = (𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))))
5449, 53eqtr2d 2796 . . . . . 6 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → (𝑅 ∘ (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) = (𝑅↑𝑟((𝑘 + 1) + 𝑀)))
5542, 44, 543eqtrd 2799 . . . . 5 ((𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) ∧ ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → ((𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟((𝑘 + 1) + 𝑀)))
56553exp 1137 . . . 4 (𝑘 ∈ ℕ → ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → (((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀)) → ((𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟((𝑘 + 1) + 𝑀)))))
5756a2d 30 . . 3 (𝑘 ∈ ℕ → (((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑘) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑘 + 𝑀))) → ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟(𝑘 + 1)) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟((𝑘 + 1) + 𝑀)))))
586, 12, 18, 24, 35, 57nnind 12353 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → ((𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑁) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑁 + 𝑀))))
59583impib 1134 1 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → ((𝑅↑𝑟𝑁) ∘ (𝑅↑𝑟𝑀)) = (𝑅↑𝑟(𝑁 + 𝑀)))
Colors of variables:    wff setvar class
This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   ∧ w3a 1103   = wceq 1569   ∈ wcel 2144   ∘ ccom 5654  (class class class)co 7420  ℂcc 11198  1c1 11201   + caddc 11203  ℕcn 12335  ↑𝑟crelexp 15172
This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5326  ax-pr 5390  ax-un 7751  ax-cnex 11256  ax-resscn 11257  ax-1cn 11258  ax-icn 11259  ax-addcl 11260  ax-addrcl 11261  ax-mulcl 11262  ax-mulrcl 11263  ax-mulcom 11264  ax-addass 11265  ax-mulass 11266  ax-distr 11267  ax-i2m1 11268  ax-1ne0 11269  ax-1rid 11270  ax-rnegex 11271  ax-rrecex 11272  ax-cnre 11273  ax-pre-lttri 11274  ax-pre-lttrn 11275  ax-pre-ltadd 11276  ax-pre-mulgt0 11277
This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3739  df-csb 3847  df-ss 3896  df-pss 4014  df-dif 4047  df-in 4091  df-un 4151  df-nul 4279  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4584  df-pr 4586  df-op 4590  df-uni 4867  df-iun 4952  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-tr 5212  df-id 5545  df-eprel 5550  df-po 5558  df-so 5559  df-fr 5603  df-we 5605  df-xp 5656  df-rel 5657  df-cnv 5658  df-co 5659  df-dm 5660  df-rn 5661  df-res 5662  df-ima 5663  df-pred 6304  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6494  df-fun 6540  df-fn 6541  df-f 6542  df-f1 6543  df-fo 6544  df-f1o 6545  df-fv 6546  df-riota 7377  df-ov 7423  df-oprab 7424  df-mpo 7425  df-om 7878  df-2nd 8002  df-frecs 8299  df-wrecs 8330  df-recs 8379  df-rdg 8418  df-er 8717  df-en 8974  df-dom 8975  df-sdom 8976  df-pnf 11345  df-mnf 11346  df-xr 11347  df-ltxr 11348  df-le 11349  df-sub 11543  df-neg 11544  df-nn 12336  df-n0 12607  df-z 12694  df-uz 12966  df-seq 14145  df-relexp 15173
This theorem is used by:  relexpaddg  15206  iunrelexpmin1  44708  relexpmulnn  44709  iunrelexpmin2  44712  relexpaddss  44718
  Copyright terms: Public domain W3C validator