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Theorem efif1olem4

Description: The exponential function of an imaginary number maps any interval of length 2 _pi one-to-one onto the unit circle. (Contributed by Paul Chapman, 16-Mar-2008) (Proof shortened by Mario Carneiro, 13-May-2014)

Ref Expression
Hypotheses efif1o.1 F = w D e i w
efif1o.2 C = abs -1 1
efif1olem4.3 φ D
efif1olem4.4 φ x D y D x y < 2 π
efif1olem4.5 φ z y D z y 2 π
efif1olem4.6 S = sin π 2 π 2
Assertion efif1olem4 φ F : D 1-1 onto C

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 efif1o.1 F = w D e i w
2 efif1o.2 C = abs -1 1
3 efif1olem4.3 φ D
4 efif1olem4.4 φ x D y D x y < 2 π
5 efif1olem4.5 φ z y D z y 2 π
6 efif1olem4.6 S = sin π 2 π 2
7 3 sselda φ w D w
8 ax-icn i
9 recn w w
10 mulcl i w i w
11 8 9 10 sylancr w i w
12 efcl i w e i w
13 11 12 syl w e i w
14 absefi w e i w = 1
15 absf abs :
16 ffn abs : abs Fn
17 15 16 ax-mp abs Fn
18 fniniseg abs Fn e i w abs -1 1 e i w e i w = 1
19 17 18 ax-mp e i w abs -1 1 e i w e i w = 1
20 13 14 19 sylanbrc w e i w abs -1 1
21 20 2 eleqtrrdi w e i w C
22 7 21 syl φ w D e i w C
23 22 1 fmptd φ F : D C
24 3 ad2antrr φ x D y D F x = F y D
25 simplrl φ x D y D F x = F y x D
26 24 25 sseldd φ x D y D F x = F y x
27 26 recnd φ x D y D F x = F y x
28 simplrr φ x D y D F x = F y y D
29 24 28 sseldd φ x D y D F x = F y y
30 29 recnd φ x D y D F x = F y y
31 27 30 subcld φ x D y D F x = F y x y
32 2re 2
33 pire π
34 32 33 remulcli 2 π
35 34 recni 2 π
36 2pos 0 < 2
37 pipos 0 < π
38 32 33 36 37 mulgt0ii 0 < 2 π
39 34 38 gt0ne0ii 2 π 0
40 divcl x y 2 π 2 π 0 x y 2 π
41 35 39 40 mp3an23 x y x y 2 π
42 31 41 syl φ x D y D F x = F y x y 2 π
43 absdiv x y 2 π 2 π 0 x y 2 π = x y 2 π
44 35 39 43 mp3an23 x y x y 2 π = x y 2 π
45 31 44 syl φ x D y D F x = F y x y 2 π = x y 2 π
46 0re 0
47 46 34 38 ltleii 0 2 π
48 absid 2 π 0 2 π 2 π = 2 π
49 34 47 48 mp2an 2 π = 2 π
50 49 oveq2i x y 2 π = x y 2 π
51 45 50 eqtrdi φ x D y D F x = F y x y 2 π = x y 2 π
52 4 adantr φ x D y D F x = F y x y < 2 π
53 35 mulid1i 2 π 1 = 2 π
54 52 53 breqtrrdi φ x D y D F x = F y x y < 2 π 1
55 31 abscld φ x D y D F x = F y x y
56 1re 1
57 34 38 pm3.2i 2 π 0 < 2 π
58 ltdivmul x y 1 2 π 0 < 2 π x y 2 π < 1 x y < 2 π 1
59 56 57 58 mp3an23 x y x y 2 π < 1 x y < 2 π 1
60 55 59 syl φ x D y D F x = F y x y 2 π < 1 x y < 2 π 1
61 54 60 mpbird φ x D y D F x = F y x y 2 π < 1
62 51 61 eqbrtrd φ x D y D F x = F y x y 2 π < 1
63 35 39 pm3.2i 2 π 2 π 0
64 ine0 i 0
65 8 64 pm3.2i i i 0
66 divcan5 x y 2 π 2 π 0 i i 0 i x y i 2 π = x y 2 π
67 63 65 66 mp3an23 x y i x y i 2 π = x y 2 π
68 31 67 syl φ x D y D F x = F y i x y i 2 π = x y 2 π
69 8 a1i φ x D y D F x = F y i
70 69 27 30 subdid φ x D y D F x = F y i x y = i x i y
71 70 fveq2d φ x D y D F x = F y e i x y = e i x i y
72 mulcl i x i x
73 8 27 72 sylancr φ x D y D F x = F y i x
74 mulcl i y i y
75 8 30 74 sylancr φ x D y D F x = F y i y
76 efsub i x i y e i x i y = e i x e i y
77 73 75 76 syl2anc φ x D y D F x = F y e i x i y = e i x e i y
78 efcl i y e i y
79 75 78 syl φ x D y D F x = F y e i y
80 efne0 i y e i y 0
81 75 80 syl φ x D y D F x = F y e i y 0
82 simpr φ x D y D F x = F y F x = F y
83 oveq2 w = x i w = i x
84 83 fveq2d w = x e i w = e i x
85 fvex e i x V
86 84 1 85 fvmpt x D F x = e i x
87 25 86 syl φ x D y D F x = F y F x = e i x
88 oveq2 w = y i w = i y
89 88 fveq2d w = y e i w = e i y
90 fvex e i y V
91 89 1 90 fvmpt y D F y = e i y
92 28 91 syl φ x D y D F x = F y F y = e i y
93 82 87 92 3eqtr3d φ x D y D F x = F y e i x = e i y
94 79 81 93 diveq1bd φ x D y D F x = F y e i x e i y = 1
95 71 77 94 3eqtrd φ x D y D F x = F y e i x y = 1
96 mulcl i x y i x y
97 8 31 96 sylancr φ x D y D F x = F y i x y
98 efeq1 i x y e i x y = 1 i x y i 2 π
99 97 98 syl φ x D y D F x = F y e i x y = 1 i x y i 2 π
100 95 99 mpbid φ x D y D F x = F y i x y i 2 π
101 68 100 eqeltrrd φ x D y D F x = F y x y 2 π
102 nn0abscl x y 2 π x y 2 π 0
103 101 102 syl φ x D y D F x = F y x y 2 π 0
104 nn0lt10b x y 2 π 0 x y 2 π < 1 x y 2 π = 0
105 103 104 syl φ x D y D F x = F y x y 2 π < 1 x y 2 π = 0
106 62 105 mpbid φ x D y D F x = F y x y 2 π = 0
107 42 106 abs00d φ x D y D F x = F y x y 2 π = 0
108 diveq0 x y 2 π 2 π 0 x y 2 π = 0 x y = 0
109 35 39 108 mp3an23 x y x y 2 π = 0 x y = 0
110 31 109 syl φ x D y D F x = F y x y 2 π = 0 x y = 0
111 107 110 mpbid φ x D y D F x = F y x y = 0
112 27 30 111 subeq0d φ x D y D F x = F y x = y
113 112 ex φ x D y D F x = F y x = y
114 113 ralrimivva φ x D y D F x = F y x = y
115 dff13 F : D 1-1 C F : D C x D y D F x = F y x = y
116 23 114 115 sylanbrc φ F : D 1-1 C
117 oveq1 z = 2 S -1 x z y = 2 S -1 x y
118 117 oveq1d z = 2 S -1 x z y 2 π = 2 S -1 x y 2 π
119 118 eleq1d z = 2 S -1 x z y 2 π 2 S -1 x y 2 π
120 119 rexbidv z = 2 S -1 x y D z y 2 π y D 2 S -1 x y 2 π
121 5 ralrimiva φ z y D z y 2 π
122 121 adantr φ x C z y D z y 2 π
123 neghalfpire π 2
124 halfpire π 2
125 iccssre π 2 π 2 π 2 π 2
126 123 124 125 mp2an π 2 π 2
127 1 2 efif1olem3 φ x C x 1 1
128 resinf1o sin π 2 π 2 : π 2 π 2 1-1 onto 1 1
129 f1oeq1 S = sin π 2 π 2 S : π 2 π 2 1-1 onto 1 1 sin π 2 π 2 : π 2 π 2 1-1 onto 1 1
130 6 129 ax-mp S : π 2 π 2 1-1 onto 1 1 sin π 2 π 2 : π 2 π 2 1-1 onto 1 1
131 128 130 mpbir S : π 2 π 2 1-1 onto 1 1
132 f1ocnv S : π 2 π 2 1-1 onto 1 1 S -1 : 1 1 1-1 onto π 2 π 2
133 f1of S -1 : 1 1 1-1 onto π 2 π 2 S -1 : 1 1 π 2 π 2
134 131 132 133 mp2b S -1 : 1 1 π 2 π 2
135 134 ffvelrni x 1 1 S -1 x π 2 π 2
136 127 135 syl φ x C S -1 x π 2 π 2
137 126 136 sselid φ x C S -1 x
138 remulcl 2 S -1 x 2 S -1 x
139 32 137 138 sylancr φ x C 2 S -1 x
140 120 122 139 rspcdva φ x C y D 2 S -1 x y 2 π
141 oveq1 e i 2 S -1 x y = 1 e i 2 S -1 x y e i y = 1 e i y
142 8 a1i φ x C y D i
143 139 adantr φ x C y D 2 S -1 x
144 143 recnd φ x C y D 2 S -1 x
145 3 ad2antrr φ x C y D D
146 simpr φ x C y D y D
147 145 146 sseldd φ x C y D y
148 147 recnd φ x C y D y
149 142 144 148 subdid φ x C y D i 2 S -1 x y = i 2 S -1 x i y
150 149 oveq1d φ x C y D i 2 S -1 x y + i y = i 2 S -1 x - i y + i y
151 mulcl i 2 S -1 x i 2 S -1 x
152 8 144 151 sylancr φ x C y D i 2 S -1 x
153 8 148 74 sylancr φ x C y D i y
154 152 153 npcand φ x C y D i 2 S -1 x - i y + i y = i 2 S -1 x
155 150 154 eqtrd φ x C y D i 2 S -1 x y + i y = i 2 S -1 x
156 155 fveq2d φ x C y D e i 2 S -1 x y + i y = e i 2 S -1 x
157 144 148 subcld φ x C y D 2 S -1 x y
158 mulcl i 2 S -1 x y i 2 S -1 x y
159 8 157 158 sylancr φ x C y D i 2 S -1 x y
160 efadd i 2 S -1 x y i y e i 2 S -1 x y + i y = e i 2 S -1 x y e i y
161 159 153 160 syl2anc φ x C y D e i 2 S -1 x y + i y = e i 2 S -1 x y e i y
162 2cn 2
163 137 recnd φ x C S -1 x
164 mul12 i 2 S -1 x i 2 S -1 x = 2 i S -1 x
165 8 162 163 164 mp3an12i φ x C i 2 S -1 x = 2 i S -1 x
166 165 fveq2d φ x C e i 2 S -1 x = e 2 i S -1 x
167 mulcl i S -1 x i S -1 x
168 8 163 167 sylancr φ x C i S -1 x
169 2z 2
170 efexp i S -1 x 2 e 2 i S -1 x = e i S -1 x 2
171 168 169 170 sylancl φ x C e 2 i S -1 x = e i S -1 x 2
172 166 171 eqtrd φ x C e i 2 S -1 x = e i S -1 x 2
173 137 recoscld φ x C cos S -1 x
174 simpr φ x C x C
175 174 2 eleqtrdi φ x C x abs -1 1
176 fniniseg abs Fn x abs -1 1 x x = 1
177 17 176 ax-mp x abs -1 1 x x = 1
178 175 177 sylib φ x C x x = 1
179 178 simpld φ x C x
180 179 sqrtcld φ x C x
181 180 recld φ x C x
182 cosq14ge0 S -1 x π 2 π 2 0 cos S -1 x
183 136 182 syl φ x C 0 cos S -1 x
184 179 sqrtrege0d φ x C 0 x
185 sincossq S -1 x sin S -1 x 2 + cos S -1 x 2 = 1
186 163 185 syl φ x C sin S -1 x 2 + cos S -1 x 2 = 1
187 179 sqsqrtd φ x C x 2 = x
188 187 fveq2d φ x C x 2 = x
189 2nn0 2 0
190 absexp x 2 0 x 2 = x 2
191 180 189 190 sylancl φ x C x 2 = x 2
192 178 simprd φ x C x = 1
193 188 191 192 3eqtr3d φ x C x 2 = 1
194 180 absvalsq2d φ x C x 2 = x 2 + x 2
195 186 193 194 3eqtr2d φ x C sin S -1 x 2 + cos S -1 x 2 = x 2 + x 2
196 6 fveq1i S S -1 x = sin π 2 π 2 S -1 x
197 136 fvresd φ x C sin π 2 π 2 S -1 x = sin S -1 x
198 196 197 eqtrid φ x C S S -1 x = sin S -1 x
199 f1ocnvfv2 S : π 2 π 2 1-1 onto 1 1 x 1 1 S S -1 x = x
200 131 127 199 sylancr φ x C S S -1 x = x
201 198 200 eqtr3d φ x C sin S -1 x = x
202 201 oveq1d φ x C sin S -1 x 2 = x 2
203 195 202 oveq12d φ x C sin S -1 x 2 + cos S -1 x 2 - sin S -1 x 2 = x 2 + x 2 - x 2
204 163 sincld φ x C sin S -1 x
205 204 sqcld φ x C sin S -1 x 2
206 163 coscld φ x C cos S -1 x
207 206 sqcld φ x C cos S -1 x 2
208 205 207 pncan2d φ x C sin S -1 x 2 + cos S -1 x 2 - sin S -1 x 2 = cos S -1 x 2
209 181 recnd φ x C x
210 209 sqcld φ x C x 2
211 202 205 eqeltrrd φ x C x 2
212 210 211 pncand φ x C x 2 + x 2 - x 2 = x 2
213 203 208 212 3eqtr3d φ x C cos S -1 x 2 = x 2
214 173 181 183 184 213 sq11d φ x C cos S -1 x = x
215 201 oveq2d φ x C i sin S -1 x = i x
216 214 215 oveq12d φ x C cos S -1 x + i sin S -1 x = x + i x
217 efival S -1 x e i S -1 x = cos S -1 x + i sin S -1 x
218 163 217 syl φ x C e i S -1 x = cos S -1 x + i sin S -1 x
219 180 replimd φ x C x = x + i x
220 216 218 219 3eqtr4d φ x C e i S -1 x = x
221 220 oveq1d φ x C e i S -1 x 2 = x 2
222 172 221 187 3eqtrd φ x C e i 2 S -1 x = x
223 222 adantr φ x C y D e i 2 S -1 x = x
224 156 161 223 3eqtr3d φ x C y D e i 2 S -1 x y e i y = x
225 153 78 syl φ x C y D e i y
226 225 mulid2d φ x C y D 1 e i y = e i y
227 224 226 eqeq12d φ x C y D e i 2 S -1 x y e i y = 1 e i y x = e i y
228 141 227 syl5ib φ x C y D e i 2 S -1 x y = 1 x = e i y
229 efeq1 i 2 S -1 x y e i 2 S -1 x y = 1 i 2 S -1 x y i 2 π
230 159 229 syl φ x C y D e i 2 S -1 x y = 1 i 2 S -1 x y i 2 π
231 divcan5 2 S -1 x y 2 π 2 π 0 i i 0 i 2 S -1 x y i 2 π = 2 S -1 x y 2 π
232 63 65 231 mp3an23 2 S -1 x y i 2 S -1 x y i 2 π = 2 S -1 x y 2 π
233 157 232 syl φ x C y D i 2 S -1 x y i 2 π = 2 S -1 x y 2 π
234 233 eleq1d φ x C y D i 2 S -1 x y i 2 π 2 S -1 x y 2 π
235 230 234 bitr2d φ x C y D 2 S -1 x y 2 π e i 2 S -1 x y = 1
236 91 adantl φ x C y D F y = e i y
237 236 eqeq2d φ x C y D x = F y x = e i y
238 228 235 237 3imtr4d φ x C y D 2 S -1 x y 2 π x = F y
239 238 reximdva φ x C y D 2 S -1 x y 2 π y D x = F y
240 140 239 mpd φ x C y D x = F y
241 240 ralrimiva φ x C y D x = F y
242 dffo3 F : D onto C F : D C x C y D x = F y
243 23 241 242 sylanbrc φ F : D onto C
244 df-f1o F : D 1-1 onto C F : D 1-1 C F : D onto C
245 116 243 244 sylanbrc φ F : D 1-1 onto C