Metamath Proof Explorer


Theorem dchrn0

Description: A Dirichlet character is nonzero on the units of Z/nZ . (Contributed by Mario Carneiro, 18-Apr-2016)

Ref Expression
Hypotheses dchrmhm.g โŠข ๐บ = ( DChr โ€˜ ๐‘ )
dchrmhm.z โŠข ๐‘ = ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ )
dchrmhm.b โŠข ๐ท = ( Base โ€˜ ๐บ )
dchrn0.b โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐‘ )
dchrn0.u โŠข ๐‘ˆ = ( Unit โ€˜ ๐‘ )
dchrn0.x โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ท )
dchrn0.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ ๐ต )
Assertion dchrn0 ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 โ†” ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 dchrmhm.g โŠข ๐บ = ( DChr โ€˜ ๐‘ )
2 dchrmhm.z โŠข ๐‘ = ( โ„ค/nโ„ค โ€˜ ๐‘ )
3 dchrmhm.b โŠข ๐ท = ( Base โ€˜ ๐บ )
4 dchrn0.b โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐‘ )
5 dchrn0.u โŠข ๐‘ˆ = ( Unit โ€˜ ๐‘ )
6 dchrn0.x โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ท )
7 dchrn0.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ ๐ต )
8 fveq2 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐ด โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) )
9 8 neeq1d โŠข ( ๐‘ฅ = ๐ด โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐‘ฅ ) โ‰  0 โ†” ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 ) )
10 eleq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐ด โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘ˆ โ†” ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) )
11 9 10 imbi12d โŠข ( ๐‘ฅ = ๐ด โ†’ ( ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐‘ฅ ) โ‰  0 โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†” ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 โ†’ ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) ) )
12 1 3 dchrrcl โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ท โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
13 6 12 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
14 1 2 4 5 13 3 dchrelbas2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ท โ†” ( ๐‘‹ โˆˆ ( ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) MndHom ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐‘ฅ ) โ‰  0 โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘ˆ ) ) ) )
15 6 14 mpbid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ ( ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) MndHom ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐‘ฅ ) โ‰  0 โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘ˆ ) ) )
16 15 simprd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐‘ฅ ) โ‰  0 โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘ˆ ) )
17 11 16 7 rspcdva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 โ†’ ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) )
18 17 imp โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 ) โ†’ ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ )
19 ax-1ne0 โŠข 1 โ‰  0
20 19 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ 1 โ‰  0 )
21 13 nnnn0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
22 2 zncrng โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘ โˆˆ CRing )
23 crngring โŠข ( ๐‘ โˆˆ CRing โ†’ ๐‘ โˆˆ Ring )
24 21 22 23 3syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ Ring )
25 eqid โŠข ( invr โ€˜ ๐‘ ) = ( invr โ€˜ ๐‘ )
26 eqid โŠข ( .r โ€˜ ๐‘ ) = ( .r โ€˜ ๐‘ )
27 eqid โŠข ( 1r โ€˜ ๐‘ ) = ( 1r โ€˜ ๐‘ )
28 5 25 26 27 unitrinv โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Ring โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ๐ด ( .r โ€˜ ๐‘ ) ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) = ( 1r โ€˜ ๐‘ ) )
29 24 28 sylan โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ๐ด ( .r โ€˜ ๐‘ ) ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) = ( 1r โ€˜ ๐‘ ) )
30 29 fveq2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ด ( .r โ€˜ ๐‘ ) ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ๐‘‹ โ€˜ ( 1r โ€˜ ๐‘ ) ) )
31 15 simpld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ( ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) MndHom ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) )
32 31 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ( ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) MndHom ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) )
33 7 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ๐ด โˆˆ ๐ต )
34 5 25 4 ringinvcl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Ring โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ๐ต )
35 24 34 sylan โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ๐ต )
36 eqid โŠข ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) = ( mulGrp โ€˜ ๐‘ )
37 36 4 mgpbas โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) )
38 36 26 mgpplusg โŠข ( .r โ€˜ ๐‘ ) = ( +g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) )
39 eqid โŠข ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) = ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld )
40 cnfldmul โŠข ยท = ( .r โ€˜ โ„‚fld )
41 39 40 mgpplusg โŠข ยท = ( +g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
42 37 38 41 mhmlin โŠข ( ( ๐‘‹ โˆˆ ( ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) MndHom ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต โˆง ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ด ( .r โ€˜ ๐‘ ) ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) )
43 32 33 35 42 syl3anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( ๐ด ( .r โ€˜ ๐‘ ) ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) )
44 36 27 ringidval โŠข ( 1r โ€˜ ๐‘ ) = ( 0g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) )
45 cnfld1 โŠข 1 = ( 1r โ€˜ โ„‚fld )
46 39 45 ringidval โŠข 1 = ( 0g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
47 44 46 mhm0 โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ( ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) MndHom ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( 1r โ€˜ ๐‘ ) ) = 1 )
48 32 47 syl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( 1r โ€˜ ๐‘ ) ) = 1 )
49 30 43 48 3eqtr3d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) = 1 )
50 cnfldbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ โ„‚fld )
51 39 50 mgpbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
52 37 51 mhmf โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ( ( mulGrp โ€˜ ๐‘ ) MndHom ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) โ†’ ๐‘‹ : ๐ต โŸถ โ„‚ )
53 32 52 syl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ๐‘‹ : ๐ต โŸถ โ„‚ )
54 53 35 ffvelcdmd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
55 54 mul02d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( 0 ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) = 0 )
56 20 49 55 3netr4d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰  ( 0 ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) )
57 oveq1 โŠข ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) = 0 โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( 0 ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) )
58 57 necon3i โŠข ( ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) โ‰  ( 0 ยท ( ๐‘‹ โ€˜ ( ( invr โ€˜ ๐‘ ) โ€˜ ๐ด ) ) ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 )
59 56 58 syl โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) โ†’ ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 )
60 18 59 impbida โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘‹ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 โ†” ๐ด โˆˆ ๐‘ˆ ) )