Metamath Proof Explorer


Theorem dchrabl

Description: The set of Dirichlet characters is an Abelian group. (Contributed by Mario Carneiro, 19-Apr-2016)

Ref Expression
Hypothesis dchrabl.g โŠข ๐บ = ( DChr โ€˜ ๐‘ )
Assertion dchrabl ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐บ โˆˆ Abel )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 dchrabl.g โŠข ๐บ = ( DChr โ€˜ ๐‘ )
2 eqidd โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ( Base โ€˜ ๐บ ) = ( Base โ€˜ ๐บ ) )
3 eqidd โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ( +g โ€˜ ๐บ ) = ( +g โ€˜ ๐บ ) )
4 eqid โŠข ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) = ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ )
5 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐บ ) = ( Base โ€˜ ๐บ )
6 eqid โŠข ( +g โ€˜ ๐บ ) = ( +g โ€˜ ๐บ )
7 simp2 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
8 simp3 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
9 1 4 5 6 7 8 dchrmulcl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
10 fvexd โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โˆˆ V )
11 eqid โŠข ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) = ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) )
12 1 4 5 11 7 dchrf โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ๐‘ฅ : ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โŸถ โ„‚ )
13 12 3adant3r3 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ๐‘ฅ : ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โŸถ โ„‚ )
14 1 4 5 11 8 dchrf โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ๐‘ฆ : ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โŸถ โ„‚ )
15 14 3adant3r3 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ๐‘ฆ : ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โŸถ โ„‚ )
16 simpr3 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
17 1 4 5 11 16 dchrf โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ๐‘ง : ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โŸถ โ„‚ )
18 mulass โŠข ( ( ๐‘Ž โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘Ž ยท ๐‘ ) ยท ๐‘ ) = ( ๐‘Ž ยท ( ๐‘ ยท ๐‘ ) ) )
19 18 adantl โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โˆง ( ๐‘Ž โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) ) โ†’ ( ( ๐‘Ž ยท ๐‘ ) ยท ๐‘ ) = ( ๐‘Ž ยท ( ๐‘ ยท ๐‘ ) ) )
20 10 13 15 17 19 caofass โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ๐‘ฆ ) โˆ˜f ยท ๐‘ง ) = ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ( ๐‘ฆ โˆ˜f ยท ๐‘ง ) ) )
21 simpr1 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
22 simpr2 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
23 1 4 5 6 21 22 dchrmul โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ๐‘ฆ ) )
24 23 oveq1d โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) โˆ˜f ยท ๐‘ง ) = ( ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ๐‘ฆ ) โˆ˜f ยท ๐‘ง ) )
25 1 4 5 6 22 16 dchrmul โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ง ) = ( ๐‘ฆ โˆ˜f ยท ๐‘ง ) )
26 25 oveq2d โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ง ) ) = ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ( ๐‘ฆ โˆ˜f ยท ๐‘ง ) ) )
27 20 24 26 3eqtr4d โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) โˆ˜f ยท ๐‘ง ) = ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ง ) ) )
28 9 3adant3r3 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
29 1 4 5 6 28 16 dchrmul โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ง ) = ( ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) โˆ˜f ยท ๐‘ง ) )
30 1 4 5 6 22 16 dchrmulcl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ง ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
31 1 4 5 6 21 30 dchrmul โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ง ) ) = ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ง ) ) )
32 27 29 31 3eqtr4d โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ง โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ง ) = ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ง ) ) )
33 eqid โŠข ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) = ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) )
34 eqid โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , 1 , 0 ) ) = ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , 1 , 0 ) )
35 id โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
36 1 4 5 11 33 34 35 dchr1cl โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , 1 , 0 ) ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
37 simpr โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
38 1 4 5 11 33 34 6 37 dchrmullid โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , 1 , 0 ) ) ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฅ ) = ๐‘ฅ )
39 eqid โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , ( 1 / ( ๐‘ฅ โ€˜ ๐‘˜ ) ) , 0 ) ) = ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , ( 1 / ( ๐‘ฅ โ€˜ ๐‘˜ ) ) , 0 ) )
40 1 4 5 11 33 34 6 37 39 dchrinvcl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , ( 1 / ( ๐‘ฅ โ€˜ ๐‘˜ ) ) , 0 ) ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ( ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , ( 1 / ( ๐‘ฅ โ€˜ ๐‘˜ ) ) , 0 ) ) ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฅ ) = ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , 1 , 0 ) ) ) )
41 40 simpld โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , ( 1 / ( ๐‘ฅ โ€˜ ๐‘˜ ) ) , 0 ) ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
42 40 simprd โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , ( 1 / ( ๐‘ฅ โ€˜ ๐‘˜ ) ) , 0 ) ) ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฅ ) = ( ๐‘˜ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โ†ฆ if ( ๐‘˜ โˆˆ ( Unit โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) , 1 , 0 ) ) )
43 2 3 9 32 36 38 41 42 isgrpd โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐บ โˆˆ Grp )
44 fvexd โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( Base โ€˜ ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ ) ) โˆˆ V )
45 mulcom โŠข ( ( ๐‘Ž โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐‘Ž ยท ๐‘ ) = ( ๐‘ ยท ๐‘Ž ) )
46 45 adantl โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โˆง ( ๐‘Ž โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) ) โ†’ ( ๐‘Ž ยท ๐‘ ) = ( ๐‘ ยท ๐‘Ž ) )
47 44 12 14 46 caofcom โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ โˆ˜f ยท ๐‘ฅ ) )
48 1 4 5 6 7 8 dchrmul โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฅ โˆ˜f ยท ๐‘ฆ ) )
49 1 4 5 6 8 7 dchrmul โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฅ ) = ( ๐‘ฆ โˆ˜f ยท ๐‘ฅ ) )
50 47 48 49 3eqtr4d โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฅ ) )
51 2 3 43 50 isabld โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐บ โˆˆ Abel )