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Theorem eff1olem

Description: The exponential function maps the set S , of complex numbers with imaginary part in a real interval of length 2 x. _pi , one-to-one onto the nonzero complex numbers. (Contributed by Paul Chapman, 16-Apr-2008) (Proof shortened by Mario Carneiro, 13-May-2014)

Ref Expression
Hypotheses eff1olem.1 ⊢ F = w ∈ D ⟼ e i ⁢ w
eff1olem.2 ⊢ S = ℑ -1 D
eff1olem.3 ⊢ φ → D ⊆ ℝ
eff1olem.4 ⊢ φ ∧ x ∈ D ∧ y ∈ D → x − y < 2 ⁢ π
eff1olem.5 ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ → ∃ y ∈ D z − y 2 ⁢ π ∈ ℤ
Assertion eff1olem ⊢ φ → exp ↾ S : S ⟶ 1-1 onto ℂ ∖ 0

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 eff1olem.1 ⊢ F = w ∈ D ⟼ e i ⁢ w
2 eff1olem.2 ⊢ S = ℑ -1 D
3 eff1olem.3 ⊢ φ → D ⊆ ℝ
4 eff1olem.4 ⊢ φ ∧ x ∈ D ∧ y ∈ D → x − y < 2 ⁢ π
5 eff1olem.5 ⊢ φ ∧ z ∈ ℝ → ∃ y ∈ D z − y 2 ⁢ π ∈ ℤ
6 cnvimass ⊢ ℑ -1 D ⊆ dom ⁡ ℑ
7 imf ⊢ ℑ : ℂ ⟶ ℝ
8 7 fdmi ⊢ dom ⁡ ℑ = ℂ
9 8 eqcomi ⊢ ℂ = dom ⁡ ℑ
10 6 2 9 3sstr4i ⊢ S ⊆ ℂ
11 eff2 ⊢ exp : ℂ ⟶ ℂ ∖ 0
12 11 a1i ⊢ S ⊆ ℂ → exp : ℂ ⟶ ℂ ∖ 0
13 12 feqmptd ⊢ S ⊆ ℂ → exp = y ∈ ℂ ⟼ e y
14 13 reseq1d ⊢ S ⊆ ℂ → exp ↾ S = y ∈ ℂ ⟼ e y ↾ S
15 resmpt ⊢ S ⊆ ℂ → y ∈ ℂ ⟼ e y ↾ S = y ∈ S ⟼ e y
16 14 15 eqtrd ⊢ S ⊆ ℂ → exp ↾ S = y ∈ S ⟼ e y
17 10 16 ax-mp ⊢ exp ↾ S = y ∈ S ⟼ e y
18 10 sseli ⊢ y ∈ S → y ∈ ℂ
19 11 ffvelcdmi ⊢ y ∈ ℂ → e y ∈ ℂ ∖ 0
20 18 19 syl ⊢ y ∈ S → e y ∈ ℂ ∖ 0
21 20 adantl ⊢ φ ∧ y ∈ S → e y ∈ ℂ ∖ 0
22 eldifsn ⊢ x ∈ ℂ ∖ 0 ↔ x ∈ ℂ ∧ x ≠ 0
23 22 bilani ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x ∈ ℂ ∧ x ≠ 0
24 23 simpld ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x ∈ ℂ
25 23 simprd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x ≠ 0
26 24 25 absrpcld ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x ∈ ℝ +
27 reeff1o ⊢ exp ↾ ℝ : ℝ ⟶ 1-1 onto ℝ +
28 f1ocnv ⊢ exp ↾ ℝ : ℝ ⟶ 1-1 onto ℝ + → exp ↾ ℝ -1 : ℝ + ⟶ 1-1 onto ℝ
29 f1of ⊢ exp ↾ ℝ -1 : ℝ + ⟶ 1-1 onto ℝ → exp ↾ ℝ -1 : ℝ + ⟶ ℝ
30 27 28 29 mp2b ⊢ exp ↾ ℝ -1 : ℝ + ⟶ ℝ
31 30 ffvelcdmi ⊢ x ∈ ℝ + → exp ↾ ℝ -1 ⁡ x ∈ ℝ
32 26 31 syl ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → exp ↾ ℝ -1 ⁡ x ∈ ℝ
33 32 recnd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → exp ↾ ℝ -1 ⁡ x ∈ ℂ
34 ax-icn ⊢ i ∈ ℂ
35 3 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → D ⊆ ℝ
36 eqid ⊢ abs -1 1 = abs -1 1
37 eqid ⊢ sin ↾ − π 2 π 2 = sin ↾ − π 2 π 2
38 1 36 3 4 5 37 efif1olem4 ⊢ φ → F : D ⟶ 1-1 onto abs -1 1
39 f1ocnv ⊢ F : D ⟶ 1-1 onto abs -1 1 → F -1 : abs -1 1 ⟶ 1-1 onto D
40 f1of ⊢ F -1 : abs -1 1 ⟶ 1-1 onto D → F -1 : abs -1 1 ⟶ D
41 38 39 40 3syl ⊢ φ → F -1 : abs -1 1 ⟶ D
42 41 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → F -1 : abs -1 1 ⟶ D
43 24 abscld ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x ∈ ℝ
44 43 recnd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x ∈ ℂ
45 24 25 absne0d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x ≠ 0
46 24 44 45 divcld ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x x ∈ ℂ
47 24 44 45 absdivd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x x = x x
48 absidm ⊢ x ∈ ℂ → x = x
49 24 48 syl ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x = x
50 49 oveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x x = x x
51 44 45 dividd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x x = 1
52 47 50 51 3eqtrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x x = 1
53 absf ⊢ abs : ℂ ⟶ ℝ
54 ffn ⊢ abs : ℂ ⟶ ℝ → abs Fn ℂ
55 fniniseg ⊢ abs Fn ℂ → x x ∈ abs -1 1 ↔ x x ∈ ℂ ∧ x x = 1
56 53 54 55 mp2b ⊢ x x ∈ abs -1 1 ↔ x x ∈ ℂ ∧ x x = 1
57 46 52 56 sylanbrc ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x x ∈ abs -1 1
58 42 57 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → F -1 ⁡ x x ∈ D
59 35 58 sseldd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → F -1 ⁡ x x ∈ ℝ
60 59 recnd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → F -1 ⁡ x x ∈ ℂ
61 mulcl ⊢ i ∈ ℂ ∧ F -1 ⁡ x x ∈ ℂ → i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ ℂ
62 34 60 61 sylancr ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ ℂ
63 33 62 addcld ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ ℂ
64 32 59 crimd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → ℑ ⁡ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x = F -1 ⁡ x x
65 64 58 eqeltrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → ℑ ⁡ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ D
66 ffn ⊢ ℑ : ℂ ⟶ ℝ → ℑ Fn ℂ
67 elpreima ⊢ ℑ Fn ℂ → exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ ℑ -1 D ↔ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ ℂ ∧ ℑ ⁡ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ D
68 7 66 67 mp2b ⊢ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ ℑ -1 D ↔ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ ℂ ∧ ℑ ⁡ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ D
69 63 65 68 sylanbrc ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ ℑ -1 D
70 69 2 eleqtrrdi ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ S
71 efadd ⊢ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x ∈ ℂ ∧ i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ ℂ → e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x = e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x ⁢ e i ⁢ F -1 ⁡ x x
72 33 62 71 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x = e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x ⁢ e i ⁢ F -1 ⁡ x x
73 32 fvresd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → exp ↾ ℝ ⁡ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x = e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x
74 f1ocnvfv2 ⊢ exp ↾ ℝ : ℝ ⟶ 1-1 onto ℝ + ∧ x ∈ ℝ + → exp ↾ ℝ ⁡ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x = x
75 27 26 74 sylancr ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → exp ↾ ℝ ⁡ exp ↾ ℝ -1 ⁡ x = x
76 73 75 eqtr3d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x = x
77 oveq2 ⊢ z = F -1 ⁡ x x → i ⁢ z = i ⁢ F -1 ⁡ x x
78 77 fveq2d ⊢ z = F -1 ⁡ x x → e i ⁢ z = e i ⁢ F -1 ⁡ x x
79 oveq2 ⊢ w = z → i ⁢ w = i ⁢ z
80 79 fveq2d ⊢ w = z → e i ⁢ w = e i ⁢ z
81 80 cbvmptv ⊢ w ∈ D ⟼ e i ⁢ w = z ∈ D ⟼ e i ⁢ z
82 1 81 eqtri ⊢ F = z ∈ D ⟼ e i ⁢ z
83 fvex ⊢ e i ⁢ F -1 ⁡ x x ∈ V
84 78 82 83 fvmpt ⊢ F -1 ⁡ x x ∈ D → F ⁡ F -1 ⁡ x x = e i ⁢ F -1 ⁡ x x
85 58 84 syl ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → F ⁡ F -1 ⁡ x x = e i ⁢ F -1 ⁡ x x
86 38 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → F : D ⟶ 1-1 onto abs -1 1
87 f1ocnvfv2 ⊢ F : D ⟶ 1-1 onto abs -1 1 ∧ x x ∈ abs -1 1 → F ⁡ F -1 ⁡ x x = x x
88 86 57 87 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → F ⁡ F -1 ⁡ x x = x x
89 85 88 eqtr3d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → e i ⁢ F -1 ⁡ x x = x x
90 76 89 oveq12d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x ⁢ e i ⁢ F -1 ⁡ x x = x ⁢ x x
91 24 44 45 divcan2d ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x ⁢ x x = x
92 72 90 91 3eqtrrd ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x = e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x
93 92 adantrl ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x = e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x
94 fveq2 ⊢ y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x → e y = e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x
95 94 eqeq2d ⊢ y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x → x = e y ↔ x = e exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x
96 93 95 syl5ibrcom ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x → x = e y
97 18 adantl ⊢ φ ∧ y ∈ S → y ∈ ℂ
98 97 replimd ⊢ φ ∧ y ∈ S → y = ℜ ⁡ y + i ⁢ ℑ ⁡ y
99 absef ⊢ y ∈ ℂ → e y = e ℜ ⁡ y
100 97 99 syl ⊢ φ ∧ y ∈ S → e y = e ℜ ⁡ y
101 97 recld ⊢ φ ∧ y ∈ S → ℜ ⁡ y ∈ ℝ
102 101 fvresd ⊢ φ ∧ y ∈ S → exp ↾ ℝ ⁡ ℜ ⁡ y = e ℜ ⁡ y
103 100 102 eqtr4d ⊢ φ ∧ y ∈ S → e y = exp ↾ ℝ ⁡ ℜ ⁡ y
104 103 fveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ S → exp ↾ ℝ -1 ⁡ e y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ exp ↾ ℝ ⁡ ℜ ⁡ y
105 f1ocnvfv1 ⊢ exp ↾ ℝ : ℝ ⟶ 1-1 onto ℝ + ∧ ℜ ⁡ y ∈ ℝ → exp ↾ ℝ -1 ⁡ exp ↾ ℝ ⁡ ℜ ⁡ y = ℜ ⁡ y
106 27 101 105 sylancr ⊢ φ ∧ y ∈ S → exp ↾ ℝ -1 ⁡ exp ↾ ℝ ⁡ ℜ ⁡ y = ℜ ⁡ y
107 104 106 eqtrd ⊢ φ ∧ y ∈ S → exp ↾ ℝ -1 ⁡ e y = ℜ ⁡ y
108 97 imcld ⊢ φ ∧ y ∈ S → ℑ ⁡ y ∈ ℝ
109 108 recnd ⊢ φ ∧ y ∈ S → ℑ ⁡ y ∈ ℂ
110 mulcl ⊢ i ∈ ℂ ∧ ℑ ⁡ y ∈ ℂ → i ⁢ ℑ ⁡ y ∈ ℂ
111 34 109 110 sylancr ⊢ φ ∧ y ∈ S → i ⁢ ℑ ⁡ y ∈ ℂ
112 efcl ⊢ i ⁢ ℑ ⁡ y ∈ ℂ → e i ⁢ ℑ ⁡ y ∈ ℂ
113 111 112 syl ⊢ φ ∧ y ∈ S → e i ⁢ ℑ ⁡ y ∈ ℂ
114 101 recnd ⊢ φ ∧ y ∈ S → ℜ ⁡ y ∈ ℂ
115 efcl ⊢ ℜ ⁡ y ∈ ℂ → e ℜ ⁡ y ∈ ℂ
116 114 115 syl ⊢ φ ∧ y ∈ S → e ℜ ⁡ y ∈ ℂ
117 efne0 ⊢ ℜ ⁡ y ∈ ℂ → e ℜ ⁡ y ≠ 0
118 114 117 syl ⊢ φ ∧ y ∈ S → e ℜ ⁡ y ≠ 0
119 113 116 118 divcan3d ⊢ φ ∧ y ∈ S → e ℜ ⁡ y ⁢ e i ⁢ ℑ ⁡ y e ℜ ⁡ y = e i ⁢ ℑ ⁡ y
120 98 fveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ S → e y = e ℜ ⁡ y + i ⁢ ℑ ⁡ y
121 efadd ⊢ ℜ ⁡ y ∈ ℂ ∧ i ⁢ ℑ ⁡ y ∈ ℂ → e ℜ ⁡ y + i ⁢ ℑ ⁡ y = e ℜ ⁡ y ⁢ e i ⁢ ℑ ⁡ y
122 114 111 121 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ S → e ℜ ⁡ y + i ⁢ ℑ ⁡ y = e ℜ ⁡ y ⁢ e i ⁢ ℑ ⁡ y
123 120 122 eqtrd ⊢ φ ∧ y ∈ S → e y = e ℜ ⁡ y ⁢ e i ⁢ ℑ ⁡ y
124 123 100 oveq12d ⊢ φ ∧ y ∈ S → e y e y = e ℜ ⁡ y ⁢ e i ⁢ ℑ ⁡ y e ℜ ⁡ y
125 elpreima ⊢ ℑ Fn ℂ → y ∈ ℑ -1 D ↔ y ∈ ℂ ∧ ℑ ⁡ y ∈ D
126 7 66 125 mp2b ⊢ y ∈ ℑ -1 D ↔ y ∈ ℂ ∧ ℑ ⁡ y ∈ D
127 126 simprbi ⊢ y ∈ ℑ -1 D → ℑ ⁡ y ∈ D
128 127 2 eleq2s ⊢ y ∈ S → ℑ ⁡ y ∈ D
129 128 adantl ⊢ φ ∧ y ∈ S → ℑ ⁡ y ∈ D
130 oveq2 ⊢ w = ℑ ⁡ y → i ⁢ w = i ⁢ ℑ ⁡ y
131 130 fveq2d ⊢ w = ℑ ⁡ y → e i ⁢ w = e i ⁢ ℑ ⁡ y
132 fvex ⊢ e i ⁢ ℑ ⁡ y ∈ V
133 131 1 132 fvmpt ⊢ ℑ ⁡ y ∈ D → F ⁡ ℑ ⁡ y = e i ⁢ ℑ ⁡ y
134 129 133 syl ⊢ φ ∧ y ∈ S → F ⁡ ℑ ⁡ y = e i ⁢ ℑ ⁡ y
135 119 124 134 3eqtr4d ⊢ φ ∧ y ∈ S → e y e y = F ⁡ ℑ ⁡ y
136 135 fveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ S → F -1 ⁡ e y e y = F -1 ⁡ F ⁡ ℑ ⁡ y
137 f1ocnvfv1 ⊢ F : D ⟶ 1-1 onto abs -1 1 ∧ ℑ ⁡ y ∈ D → F -1 ⁡ F ⁡ ℑ ⁡ y = ℑ ⁡ y
138 38 128 137 syl2an ⊢ φ ∧ y ∈ S → F -1 ⁡ F ⁡ ℑ ⁡ y = ℑ ⁡ y
139 136 138 eqtrd ⊢ φ ∧ y ∈ S → F -1 ⁡ e y e y = ℑ ⁡ y
140 139 oveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ S → i ⁢ F -1 ⁡ e y e y = i ⁢ ℑ ⁡ y
141 107 140 oveq12d ⊢ φ ∧ y ∈ S → exp ↾ ℝ -1 ⁡ e y + i ⁢ F -1 ⁡ e y e y = ℜ ⁡ y + i ⁢ ℑ ⁡ y
142 98 141 eqtr4d ⊢ φ ∧ y ∈ S → y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ e y + i ⁢ F -1 ⁡ e y e y
143 fveq2 ⊢ x = e y → x = e y
144 143 fveq2d ⊢ x = e y → exp ↾ ℝ -1 ⁡ x = exp ↾ ℝ -1 ⁡ e y
145 id ⊢ x = e y → x = e y
146 145 143 oveq12d ⊢ x = e y → x x = e y e y
147 146 fveq2d ⊢ x = e y → F -1 ⁡ x x = F -1 ⁡ e y e y
148 147 oveq2d ⊢ x = e y → i ⁢ F -1 ⁡ x x = i ⁢ F -1 ⁡ e y e y
149 144 148 oveq12d ⊢ x = e y → exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x = exp ↾ ℝ -1 ⁡ e y + i ⁢ F -1 ⁡ e y e y
150 149 eqeq2d ⊢ x = e y → y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ↔ y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ e y + i ⁢ F -1 ⁡ e y e y
151 142 150 syl5ibrcom ⊢ φ ∧ y ∈ S → x = e y → y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x
152 151 adantrr ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → x = e y → y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x
153 96 152 impbid ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ x ∈ ℂ ∖ 0 → y = exp ↾ ℝ -1 ⁡ x + i ⁢ F -1 ⁡ x x ↔ x = e y
154 17 21 70 153 f1o2d ⊢ φ → exp ↾ S : S ⟶ 1-1 onto ℂ ∖ 0