Metamath Proof Explorer


Theorem efabl

Description: The image of a subgroup of the group + , under the exponential function of a scaled complex number, is an Abelian group. (Contributed by Paul Chapman, 25-Apr-2008) (Revised by Mario Carneiro, 12-May-2014) (Revised by Thierry Arnoux, 26-Jan-2020)

Ref Expression
Hypotheses efabl.1 โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โ†ฆ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) )
efabl.2 โŠข ๐บ = ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โ†พs ran ๐น )
efabl.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
efabl.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
Assertion efabl ( ๐œ‘ โ†’ ๐บ โˆˆ Abel )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 efabl.1 โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โ†ฆ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) )
2 efabl.2 โŠข ๐บ = ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โ†พs ran ๐น )
3 efabl.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
4 efabl.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
5 eqid โŠข ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) = ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) )
6 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐บ ) = ( Base โ€˜ ๐บ )
7 eqid โŠข ( +g โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) = ( +g โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) )
8 eqid โŠข ( +g โ€˜ ๐บ ) = ( +g โ€˜ ๐บ )
9 simp1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ) โ†’ ๐œ‘ )
10 simp2 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) )
11 eqid โŠข ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) = ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ )
12 11 subgbas โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) โ†’ ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) )
13 4 12 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) )
14 13 3ad2ant1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ) โ†’ ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) )
15 10 14 eleqtrrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ )
16 simp3 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) )
17 16 14 eleqtrrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘‹ )
18 3 4 jca โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) )
19 1 efgh โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ) ) = ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) ) )
20 18 19 syl3an1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ) ) = ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) ) )
21 cnfldadd โŠข + = ( +g โ€˜ โ„‚fld )
22 11 21 ressplusg โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) โ†’ + = ( +g โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) )
23 4 22 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ + = ( +g โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) )
24 23 3ad2ant1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ + = ( +g โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) )
25 24 oveqd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ๐‘ฆ ) )
26 25 fveq2d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ) ) = ( ๐น โ€˜ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ๐‘ฆ ) ) )
27 mptexg โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โ†ฆ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) ) โˆˆ V )
28 1 27 eqeltrid โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) โ†’ ๐น โˆˆ V )
29 rnexg โŠข ( ๐น โˆˆ V โ†’ ran ๐น โˆˆ V )
30 4 28 29 3syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐น โˆˆ V )
31 eqid โŠข ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) = ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld )
32 cnfldmul โŠข ยท = ( .r โ€˜ โ„‚fld )
33 31 32 mgpplusg โŠข ยท = ( +g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
34 2 33 ressplusg โŠข ( ran ๐น โˆˆ V โ†’ ยท = ( +g โ€˜ ๐บ ) )
35 30 34 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ยท = ( +g โ€˜ ๐บ ) )
36 35 3ad2ant1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ยท = ( +g โ€˜ ๐บ ) )
37 36 oveqd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) ) = ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ( +g โ€˜ ๐บ ) ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) ) )
38 20 26 37 3eqtr3d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ๐‘ฆ ) ) = ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ( +g โ€˜ ๐บ ) ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) ) )
39 9 15 17 38 syl3anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) ๐‘ฆ ) ) = ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ( +g โ€˜ ๐บ ) ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) ) )
40 fvex โŠข ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) โˆˆ V
41 40 1 fnmpti โŠข ๐น Fn ๐‘‹
42 dffn4 โŠข ( ๐น Fn ๐‘‹ โ†” ๐น : ๐‘‹ โ€“ontoโ†’ ran ๐น )
43 41 42 mpbi โŠข ๐น : ๐‘‹ โ€“ontoโ†’ ran ๐น
44 eqidd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น = ๐น )
45 eff โŠข exp : โ„‚ โŸถ โ„‚
46 45 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ exp : โ„‚ โŸถ โ„‚ )
47 3 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
48 cnfldbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ โ„‚fld )
49 48 subgss โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) โ†’ ๐‘‹ โŠ† โ„‚ )
50 4 49 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โŠ† โ„‚ )
51 50 sselda โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ )
52 47 51 mulcld โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ )
53 46 52 ffvelcdmd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ )
54 53 ralrimiva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ )
55 1 rnmptss โŠข ( โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ran ๐น โŠ† โ„‚ )
56 31 48 mgpbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
57 2 56 ressbas2 โŠข ( ran ๐น โŠ† โ„‚ โ†’ ran ๐น = ( Base โ€˜ ๐บ ) )
58 54 55 57 3syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐น = ( Base โ€˜ ๐บ ) )
59 44 13 58 foeq123d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐น : ๐‘‹ โ€“ontoโ†’ ran ๐น โ†” ๐น : ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) โ€“ontoโ†’ ( Base โ€˜ ๐บ ) ) )
60 43 59 mpbii โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น : ( Base โ€˜ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) ) โ€“ontoโ†’ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
61 cnring โŠข โ„‚fld โˆˆ Ring
62 ringabl โŠข ( โ„‚fld โˆˆ Ring โ†’ โ„‚fld โˆˆ Abel )
63 61 62 ax-mp โŠข โ„‚fld โˆˆ Abel
64 11 subgabl โŠข ( ( โ„‚fld โˆˆ Abel โˆง ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) โ†’ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) โˆˆ Abel )
65 63 4 64 sylancr โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ„‚fld โ†พs ๐‘‹ ) โˆˆ Abel )
66 5 6 7 8 39 60 65 ghmabl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐บ โˆˆ Abel )