MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  root1eq1 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem root1eq1 26487
Description: The only powers of an ๐‘-th root of unity that equal 1 are the multiples of ๐‘. In other words, -1โ†‘๐‘(2 / ๐‘) has order ๐‘ in the multiplicative group of nonzero complex numbers. (In fact, these and their powers are the only elements of finite order in the complex numbers.) (Contributed by Mario Carneiro, 28-Apr-2016.)
Assertion
Ref Expression
root1eq1 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (((-1โ†‘๐‘(2 / ๐‘))โ†‘๐พ) = 1 โ†” ๐‘ โˆฅ ๐พ))

Proof of Theorem root1eq1
StepHypRef Expression
1 2re 12290 . . . . . . . 8 2 โˆˆ โ„
2 simpl 483 . . . . . . . 8 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•)
3 nndivre 12257 . . . . . . . 8 ((2 โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•) โ†’ (2 / ๐‘) โˆˆ โ„)
41, 2, 3sylancr 587 . . . . . . 7 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (2 / ๐‘) โˆˆ โ„)
54recnd 11246 . . . . . 6 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (2 / ๐‘) โˆˆ โ„‚)
6 ax-icn 11171 . . . . . . . 8 i โˆˆ โ„‚
7 picn 26193 . . . . . . . 8 ฯ€ โˆˆ โ„‚
86, 7mulcli 11225 . . . . . . 7 (i ยท ฯ€) โˆˆ โ„‚
98a1i 11 . . . . . 6 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (i ยท ฯ€) โˆˆ โ„‚)
105, 9mulcld 11238 . . . . 5 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€)) โˆˆ โ„‚)
11 efexp 16048 . . . . 5 ((((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€)) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (expโ€˜(๐พ ยท ((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€)))) = ((expโ€˜((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€)))โ†‘๐พ))
1210, 11sylancom 588 . . . 4 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (expโ€˜(๐พ ยท ((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€)))) = ((expโ€˜((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€)))โ†‘๐พ))
13 zcn 12567 . . . . . . . . 9 (๐พ โˆˆ โ„ค โ†’ ๐พ โˆˆ โ„‚)
1413adantl 482 . . . . . . . 8 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ๐พ โˆˆ โ„‚)
15 nncn 12224 . . . . . . . . 9 (๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„‚)
1615adantr 481 . . . . . . . 8 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„‚)
17 2cn 12291 . . . . . . . . 9 2 โˆˆ โ„‚
1817a1i 11 . . . . . . . 8 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ 2 โˆˆ โ„‚)
19 nnne0 12250 . . . . . . . . 9 (๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘ โ‰  0)
2019adantr 481 . . . . . . . 8 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ๐‘ โ‰  0)
2114, 16, 18, 20div32d 12017 . . . . . . 7 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((๐พ / ๐‘) ยท 2) = (๐พ ยท (2 / ๐‘)))
2221oveq1d 7426 . . . . . 6 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (((๐พ / ๐‘) ยท 2) ยท (i ยท ฯ€)) = ((๐พ ยท (2 / ๐‘)) ยท (i ยท ฯ€)))
2314, 16, 20divcld 11994 . . . . . . 7 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (๐พ / ๐‘) โˆˆ โ„‚)
2423, 18, 9mulassd 11241 . . . . . 6 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (((๐พ / ๐‘) ยท 2) ยท (i ยท ฯ€)) = ((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))))
2514, 5, 9mulassd 11241 . . . . . 6 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((๐พ ยท (2 / ๐‘)) ยท (i ยท ฯ€)) = (๐พ ยท ((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€))))
2622, 24, 253eqtr3d 2780 . . . . 5 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) = (๐พ ยท ((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€))))
2726fveq2d 6895 . . . 4 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (expโ€˜((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€)))) = (expโ€˜(๐พ ยท ((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€)))))
28 neg1cn 12330 . . . . . . . 8 -1 โˆˆ โ„‚
2928a1i 11 . . . . . . 7 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ -1 โˆˆ โ„‚)
30 neg1ne0 12332 . . . . . . . 8 -1 โ‰  0
3130a1i 11 . . . . . . 7 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ -1 โ‰  0)
3229, 31, 5cxpefd 26444 . . . . . 6 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (-1โ†‘๐‘(2 / ๐‘)) = (expโ€˜((2 / ๐‘) ยท (logโ€˜-1))))
33 logm1 26321 . . . . . . . 8 (logโ€˜-1) = (i ยท ฯ€)
3433oveq2i 7422 . . . . . . 7 ((2 / ๐‘) ยท (logโ€˜-1)) = ((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€))
3534fveq2i 6894 . . . . . 6 (expโ€˜((2 / ๐‘) ยท (logโ€˜-1))) = (expโ€˜((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€)))
3632, 35eqtrdi 2788 . . . . 5 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (-1โ†‘๐‘(2 / ๐‘)) = (expโ€˜((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€))))
3736oveq1d 7426 . . . 4 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((-1โ†‘๐‘(2 / ๐‘))โ†‘๐พ) = ((expโ€˜((2 / ๐‘) ยท (i ยท ฯ€)))โ†‘๐พ))
3812, 27, 373eqtr4rd 2783 . . 3 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((-1โ†‘๐‘(2 / ๐‘))โ†‘๐พ) = (expโ€˜((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€)))))
3938eqeq1d 2734 . 2 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (((-1โ†‘๐‘(2 / ๐‘))โ†‘๐พ) = 1 โ†” (expโ€˜((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€)))) = 1))
4017, 8mulcli 11225 . . . 4 (2 ยท (i ยท ฯ€)) โˆˆ โ„‚
41 mulcl 11196 . . . 4 (((๐พ / ๐‘) โˆˆ โ„‚ โˆง (2 ยท (i ยท ฯ€)) โˆˆ โ„‚) โ†’ ((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) โˆˆ โ„‚)
4223, 40, 41sylancl 586 . . 3 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) โˆˆ โ„‚)
43 efeq1 26261 . . 3 (((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) โˆˆ โ„‚ โ†’ ((expโ€˜((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€)))) = 1 โ†” (((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) / (i ยท (2 ยท ฯ€))) โˆˆ โ„ค))
4442, 43syl 17 . 2 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((expโ€˜((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€)))) = 1 โ†” (((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) / (i ยท (2 ยท ฯ€))) โˆˆ โ„ค))
456, 17, 7mul12i 11413 . . . . . 6 (i ยท (2 ยท ฯ€)) = (2 ยท (i ยท ฯ€))
4645oveq2i 7422 . . . . 5 (((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) / (i ยท (2 ยท ฯ€))) = (((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) / (2 ยท (i ยท ฯ€)))
4740a1i 11 . . . . . 6 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (2 ยท (i ยท ฯ€)) โˆˆ โ„‚)
48 2ne0 12320 . . . . . . . 8 2 โ‰  0
49 ine0 11653 . . . . . . . . 9 i โ‰  0
50 pire 26192 . . . . . . . . . 10 ฯ€ โˆˆ โ„
51 pipos 26194 . . . . . . . . . 10 0 < ฯ€
5250, 51gt0ne0ii 11754 . . . . . . . . 9 ฯ€ โ‰  0
536, 7, 49, 52mulne0i 11861 . . . . . . . 8 (i ยท ฯ€) โ‰  0
5417, 8, 48, 53mulne0i 11861 . . . . . . 7 (2 ยท (i ยท ฯ€)) โ‰  0
5554a1i 11 . . . . . 6 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (2 ยท (i ยท ฯ€)) โ‰  0)
5623, 47, 55divcan4d 12000 . . . . 5 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) / (2 ยท (i ยท ฯ€))) = (๐พ / ๐‘))
5746, 56eqtrid 2784 . . . 4 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) / (i ยท (2 ยท ฯ€))) = (๐พ / ๐‘))
5857eleq1d 2818 . . 3 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) / (i ยท (2 ยท ฯ€))) โˆˆ โ„ค โ†” (๐พ / ๐‘) โˆˆ โ„ค))
59 nnz 12583 . . . . 5 (๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„ค)
6059adantr 481 . . . 4 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„ค)
61 simpr 485 . . . 4 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ๐พ โˆˆ โ„ค)
62 dvdsval2 16204 . . . 4 ((๐‘ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โ‰  0 โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (๐‘ โˆฅ ๐พ โ†” (๐พ / ๐‘) โˆˆ โ„ค))
6360, 20, 61, 62syl3anc 1371 . . 3 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (๐‘ โˆฅ ๐พ โ†” (๐พ / ๐‘) โˆˆ โ„ค))
6458, 63bitr4d 281 . 2 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ ((((๐พ / ๐‘) ยท (2 ยท (i ยท ฯ€))) / (i ยท (2 ยท ฯ€))) โˆˆ โ„ค โ†” ๐‘ โˆฅ ๐พ))
6539, 44, 643bitrd 304 1 ((๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐พ โˆˆ โ„ค) โ†’ (((-1โ†‘๐‘(2 / ๐‘))โ†‘๐พ) = 1 โ†” ๐‘ โˆฅ ๐พ))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:   โ†’ wi 4   โ†” wb 205   โˆง wa 396   = wceq 1541   โˆˆ wcel 2106   โ‰  wne 2940   class class class wbr 5148  โ€˜cfv 6543  (class class class)co 7411  โ„‚cc 11110  โ„cr 11111  0cc0 11112  1c1 11113  ici 11114   ยท cmul 11117  -cneg 11449   / cdiv 11875  โ„•cn 12216  2c2 12271  โ„คcz 12562  โ†‘cexp 14031  expce 16009  ฯ€cpi 16014   โˆฅ cdvds 16201  logclog 26287  โ†‘๐‘ccxp 26288
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2703  ax-rep 5285  ax-sep 5299  ax-nul 5306  ax-pow 5363  ax-pr 5427  ax-un 7727  ax-inf2 9638  ax-cnex 11168  ax-resscn 11169  ax-1cn 11170  ax-icn 11171  ax-addcl 11172  ax-addrcl 11173  ax-mulcl 11174  ax-mulrcl 11175  ax-mulcom 11176  ax-addass 11177  ax-mulass 11178  ax-distr 11179  ax-i2m1 11180  ax-1ne0 11181  ax-1rid 11182  ax-rnegex 11183  ax-rrecex 11184  ax-cnre 11185  ax-pre-lttri 11186  ax-pre-lttrn 11187  ax-pre-ltadd 11188  ax-pre-mulgt0 11189  ax-pre-sup 11190  ax-addf 11191  ax-mulf 11192
This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2068  df-mo 2534  df-eu 2563  df-clab 2710  df-cleq 2724  df-clel 2810  df-nfc 2885  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3062  df-rex 3071  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3433  df-v 3476  df-sbc 3778  df-csb 3894  df-dif 3951  df-un 3953  df-in 3955  df-ss 3965  df-pss 3967  df-nul 4323  df-if 4529  df-pw 4604  df-sn 4629  df-pr 4631  df-tp 4633  df-op 4635  df-uni 4909  df-int 4951  df-iun 4999  df-iin 5000  df-br 5149  df-opab 5211  df-mpt 5232  df-tr 5266  df-id 5574  df-eprel 5580  df-po 5588  df-so 5589  df-fr 5631  df-se 5632  df-we 5633  df-xp 5682  df-rel 5683  df-cnv 5684  df-co 5685  df-dm 5686  df-rn 5687  df-res 5688  df-ima 5689  df-pred 6300  df-ord 6367  df-on 6368  df-lim 6369  df-suc 6370  df-iota 6495  df-fun 6545  df-fn 6546  df-f 6547  df-f1 6548  df-fo 6549  df-f1o 6550  df-fv 6551  df-isom 6552  df-riota 7367  df-ov 7414  df-oprab 7415  df-mpo 7416  df-of 7672  df-om 7858  df-1st 7977  df-2nd 7978  df-supp 8149  df-frecs 8268  df-wrecs 8299  df-recs 8373  df-rdg 8412  df-1o 8468  df-2o 8469  df-er 8705  df-map 8824  df-pm 8825  df-ixp 8894  df-en 8942  df-dom 8943  df-sdom 8944  df-fin 8945  df-fsupp 9364  df-fi 9408  df-sup 9439  df-inf 9440  df-oi 9507  df-card 9936  df-pnf 11254  df-mnf 11255  df-xr 11256  df-ltxr 11257  df-le 11258  df-sub 11450  df-neg 11451  df-div 11876  df-nn 12217  df-2 12279  df-3 12280  df-4 12281  df-5 12282  df-6 12283  df-7 12284  df-8 12285  df-9 12286  df-n0 12477  df-z 12563  df-dec 12682  df-uz 12827  df-q 12937  df-rp 12979  df-xneg 13096  df-xadd 13097  df-xmul 13098  df-ioo 13332  df-ioc 13333  df-ico 13334  df-icc 13335  df-fz 13489  df-fzo 13632  df-fl 13761  df-mod 13839  df-seq 13971  df-exp 14032  df-fac 14238  df-bc 14267  df-hash 14295  df-shft 15018  df-cj 15050  df-re 15051  df-im 15052  df-sqrt 15186  df-abs 15187  df-limsup 15419  df-clim 15436  df-rlim 15437  df-sum 15637  df-ef 16015  df-sin 16017  df-cos 16018  df-pi 16020  df-dvds 16202  df-struct 17084  df-sets 17101  df-slot 17119  df-ndx 17131  df-base 17149  df-ress 17178  df-plusg 17214  df-mulr 17215  df-starv 17216  df-sca 17217  df-vsca 17218  df-ip 17219  df-tset 17220  df-ple 17221  df-ds 17223  df-unif 17224  df-hom 17225  df-cco 17226  df-rest 17372  df-topn 17373  df-0g 17391  df-gsum 17392  df-topgen 17393  df-pt 17394  df-prds 17397  df-xrs 17452  df-qtop 17457  df-imas 17458  df-xps 17460  df-mre 17534  df-mrc 17535  df-acs 17537  df-mgm 18565  df-sgrp 18644  df-mnd 18660  df-submnd 18706  df-mulg 18987  df-cntz 19222  df-cmn 19691  df-psmet 21136  df-xmet 21137  df-met 21138  df-bl 21139  df-mopn 21140  df-fbas 21141  df-fg 21142  df-cnfld 21145  df-top 22616  df-topon 22633  df-topsp 22655  df-bases 22669  df-cld 22743  df-ntr 22744  df-cls 22745  df-nei 22822  df-lp 22860  df-perf 22861  df-cn 22951  df-cnp 22952  df-haus 23039  df-tx 23286  df-hmeo 23479  df-fil 23570  df-fm 23662  df-flim 23663  df-flf 23664  df-xms 24046  df-ms 24047  df-tms 24048  df-cncf 24618  df-limc 25607  df-dv 25608  df-log 26289  df-cxp 26290
This theorem is referenced by:  dchrptlem1  26991  dchrptlem2  26992
  Copyright terms: Public domain W3C validator