Metamath Proof Explorer


Theorem absefib

Description: A complex number is real iff the exponential of its product with _i has absolute value one. (Contributed by NM, 21-Aug-2008)

Ref Expression
Assertion absefib ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†” ( abs โ€˜ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) ) = 1 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ef0 โŠข ( exp โ€˜ 0 ) = 1
2 1 eqeq2i โŠข ( ( exp โ€˜ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = ( exp โ€˜ 0 ) โ†” ( exp โ€˜ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = 1 )
3 imcl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
4 3 renegcld โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
5 0re โŠข 0 โˆˆ โ„
6 reef11 โŠข ( ( - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ( exp โ€˜ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = ( exp โ€˜ 0 ) โ†” - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) )
7 4 5 6 sylancl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( exp โ€˜ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = ( exp โ€˜ 0 ) โ†” - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) )
8 2 7 bitr3id โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( exp โ€˜ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = 1 โ†” - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) )
9 3 recnd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
10 9 negeq0d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) = 0 โ†” - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) )
11 8 10 bitr4d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( exp โ€˜ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = 1 โ†” ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) )
12 ax-icn โŠข i โˆˆ โ„‚
13 mulcl โŠข ( ( i โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( i ยท ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
14 12 13 mpan โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( i ยท ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
15 absef โŠข ( ( i ยท ๐ด ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( abs โ€˜ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) ) = ( exp โ€˜ ( โ„œ โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) ) )
16 14 15 syl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( abs โ€˜ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) ) = ( exp โ€˜ ( โ„œ โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) ) )
17 recl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
18 17 recnd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
19 mulcl โŠข ( ( i โˆˆ โ„‚ โˆง ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
20 12 9 19 sylancr โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
21 replim โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ๐ด = ( ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) + ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
22 18 20 21 comraddd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ๐ด = ( ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) + ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) )
23 22 oveq2d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( i ยท ๐ด ) = ( i ยท ( ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) + ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
24 adddi โŠข ( ( i โˆˆ โ„‚ โˆง ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( i ยท ( ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) + ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ( i ยท ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) ) + ( i ยท ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
25 12 20 18 24 mp3an2i โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( i ยท ( ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) + ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ( i ยท ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) ) + ( i ยท ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
26 ixi โŠข ( i ยท i ) = - 1
27 26 oveq1i โŠข ( ( i ยท i ) ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = ( - 1 ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) )
28 mulass โŠข ( ( i โˆˆ โ„‚ โˆง i โˆˆ โ„‚ โˆง ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( i ยท i ) ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = ( i ยท ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
29 12 12 9 28 mp3an12i โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( i ยท i ) ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = ( i ยท ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
30 9 mulm1d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( - 1 ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) )
31 27 29 30 3eqtr3a โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( i ยท ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) ) = - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) )
32 31 oveq1d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( i ยท ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) ) + ( i ยท ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) + ( i ยท ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
33 25 32 eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( i ยท ( ( i ยท ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) + ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) + ( i ยท ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
34 23 33 eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( i ยท ๐ด ) = ( - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) + ( i ยท ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
35 34 fveq2d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„œ โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) = ( โ„œ โ€˜ ( - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) + ( i ยท ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) ) )
36 4 17 crred โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„œ โ€˜ ( - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) + ( i ยท ( โ„œ โ€˜ ๐ด ) ) ) ) = - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) )
37 35 36 eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„œ โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) = - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) )
38 37 fveq2d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( exp โ€˜ ( โ„œ โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) ) = ( exp โ€˜ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) )
39 16 38 eqtrd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( abs โ€˜ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) ) = ( exp โ€˜ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) )
40 39 eqeq1d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( abs โ€˜ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) ) = 1 โ†” ( exp โ€˜ - ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) = 1 ) )
41 reim0b โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†” ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) )
42 11 40 41 3bitr4rd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด โˆˆ โ„ โ†” ( abs โ€˜ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐ด ) ) ) = 1 ) )