Metamath Proof Explorer


Theorem efexp

Description: The exponential of an integer power. Corollary 15-4.4 of Gleason p. 309, restricted to integers. (Contributed by NM, 13-Jan-2006) (Revised by Mario Carneiro, 5-Jun-2014)

Ref Expression
Assertion efexp ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐‘ ยท ๐ด ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘ ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 zcn โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„‚ )
2 mulcom โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘ ) = ( ๐‘ ยท ๐ด ) )
3 1 2 sylan2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘ ) = ( ๐‘ ยท ๐ด ) )
4 3 fveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ ) ) = ( exp โ€˜ ( ๐‘ ยท ๐ด ) ) )
5 oveq2 โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘— ) = ( ๐ด ยท 0 ) )
6 5 fveq2d โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) )
7 oveq2 โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 0 ) )
8 6 7 eqeq12d โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) โ†” ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 0 ) ) )
9 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘— ) = ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) )
10 9 fveq2d โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) )
11 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) )
12 10 11 eqeq12d โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) โ†” ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
13 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘— ) = ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
14 13 fveq2d โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) )
15 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
16 14 15 eqeq12d โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) โ†” ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) )
17 oveq2 โŠข ( ๐‘— = - ๐‘˜ โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘— ) = ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) )
18 17 fveq2d โŠข ( ๐‘— = - ๐‘˜ โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) ) )
19 oveq2 โŠข ( ๐‘— = - ๐‘˜ โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ - ๐‘˜ ) )
20 18 19 eqeq12d โŠข ( ๐‘— = - ๐‘˜ โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) โ†” ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ - ๐‘˜ ) ) )
21 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘— ) = ( ๐ด ยท ๐‘ ) )
22 21 fveq2d โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ ) ) )
23 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘ ) )
24 22 23 eqeq12d โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘— ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘— ) โ†” ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘ ) ) )
25 ef0 โŠข ( exp โ€˜ 0 ) = 1
26 mul01 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด ยท 0 ) = 0 )
27 26 fveq2d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) = ( exp โ€˜ 0 ) )
28 efcl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( exp โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
29 28 exp0d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 0 ) = 1 )
30 25 27 29 3eqtr4a โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 0 ) )
31 oveq1 โŠข ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) )
32 31 adantl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) )
33 nn0cn โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ )
34 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
35 adddi โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) + ( ๐ด ยท 1 ) ) )
36 34 35 mp3an3 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) + ( ๐ด ยท 1 ) ) )
37 mulrid โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด ยท 1 ) = ๐ด )
38 37 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ด ยท 1 ) = ๐ด )
39 38 oveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) + ( ๐ด ยท 1 ) ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) + ๐ด ) )
40 36 39 eqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) + ๐ด ) )
41 33 40 sylan2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) + ๐ด ) )
42 41 fveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( exp โ€˜ ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) + ๐ด ) ) )
43 mulcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
44 33 43 sylan2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
45 simpl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
46 efadd โŠข ( ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) + ๐ด ) ) = ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) )
47 44 45 46 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) + ๐ด ) ) = ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) )
48 42 47 eqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) )
49 48 adantr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) )
50 expp1 โŠข ( ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) )
51 28 50 sylan โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) )
52 51 adantr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ( exp โ€˜ ๐ด ) ) )
53 32 49 52 3eqtr4d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
54 53 exp31 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) ) )
55 oveq2 โŠข ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) โ†’ ( 1 / ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ) = ( 1 / ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
56 nncn โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ )
57 mulneg2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) = - ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) )
58 56 57 sylan2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) = - ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) )
59 58 fveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) ) = ( exp โ€˜ - ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) )
60 56 43 sylan2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
61 efneg โŠข ( ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( exp โ€˜ - ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( 1 / ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ) )
62 60 61 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( exp โ€˜ - ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( 1 / ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ) )
63 59 62 eqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) ) = ( 1 / ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ) )
64 nnnn0 โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 )
65 expneg โŠข ( ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ - ๐‘˜ ) = ( 1 / ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
66 28 64 65 syl2an โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ - ๐‘˜ ) = ( 1 / ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
67 63 66 eqeq12d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ - ๐‘˜ ) โ†” ( 1 / ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) ) = ( 1 / ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
68 55 67 imbitrrid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ - ๐‘˜ ) ) )
69 68 ex โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘˜ โˆˆ โ„• โ†’ ( ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘˜ ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท - ๐‘˜ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ - ๐‘˜ ) ) ) )
70 8 12 16 20 24 30 54 69 zindd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘ ) ) )
71 70 imp โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘ ) )
72 4 71 eqtr3d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐‘ ยท ๐ด ) ) = ( ( exp โ€˜ ๐ด ) โ†‘ ๐‘ ) )