Metamath Proof Explorer


Theorem efifo

Description: The exponential function of an imaginary number maps the reals onto the unit circle. (Contributed by Mario Carneiro, 13-May-2014)

Ref Expression
Hypotheses efifo.1 โŠข ๐น = ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) )
efifo.2 โŠข ๐ถ = ( โ—ก abs โ€œ { 1 } )
Assertion efifo ๐น : โ„ โ€“ontoโ†’ ๐ถ

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 efifo.1 โŠข ๐น = ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) )
2 efifo.2 โŠข ๐ถ = ( โ—ก abs โ€œ { 1 } )
3 ax-icn โŠข i โˆˆ โ„‚
4 recn โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†’ ๐‘ง โˆˆ โ„‚ )
5 mulcl โŠข ( ( i โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( i ยท ๐‘ง ) โˆˆ โ„‚ )
6 3 4 5 sylancr โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†’ ( i ยท ๐‘ง ) โˆˆ โ„‚ )
7 efcl โŠข ( ( i ยท ๐‘ง ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) โˆˆ โ„‚ )
8 6 7 syl โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†’ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) โˆˆ โ„‚ )
9 absefi โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†’ ( abs โ€˜ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) = 1 )
10 absf โŠข abs : โ„‚ โŸถ โ„
11 ffn โŠข ( abs : โ„‚ โŸถ โ„ โ†’ abs Fn โ„‚ )
12 fniniseg โŠข ( abs Fn โ„‚ โ†’ ( ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) โˆˆ ( โ—ก abs โ€œ { 1 } ) โ†” ( ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) = 1 ) ) )
13 10 11 12 mp2b โŠข ( ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) โˆˆ ( โ—ก abs โ€œ { 1 } ) โ†” ( ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( abs โ€˜ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) = 1 ) )
14 8 9 13 sylanbrc โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†’ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) โˆˆ ( โ—ก abs โ€œ { 1 } ) )
15 14 2 eleqtrrdi โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†’ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) โˆˆ ๐ถ )
16 1 15 fmpti โŠข ๐น : โ„ โŸถ ๐ถ
17 ffn โŠข ( ๐น : โ„ โŸถ ๐ถ โ†’ ๐น Fn โ„ )
18 16 17 ax-mp โŠข ๐น Fn โ„
19 frn โŠข ( ๐น : โ„ โŸถ ๐ถ โ†’ ran ๐น โŠ† ๐ถ )
20 16 19 ax-mp โŠข ran ๐น โŠ† ๐ถ
21 df-ima โŠข ( ๐น โ€œ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) = ran ( ๐น โ†พ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) )
22 1 reseq1i โŠข ( ๐น โ†พ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) = ( ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) โ†พ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) )
23 0xr โŠข 0 โˆˆ โ„*
24 2re โŠข 2 โˆˆ โ„
25 pire โŠข ฯ€ โˆˆ โ„
26 24 25 remulcli โŠข ( 2 ยท ฯ€ ) โˆˆ โ„
27 elioc2 โŠข ( ( 0 โˆˆ โ„* โˆง ( 2 ยท ฯ€ ) โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†” ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โˆง 0 < ๐‘ง โˆง ๐‘ง โ‰ค ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) )
28 23 26 27 mp2an โŠข ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†” ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โˆง 0 < ๐‘ง โˆง ๐‘ง โ‰ค ( 2 ยท ฯ€ ) ) )
29 28 simp1bi โŠข ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†’ ๐‘ง โˆˆ โ„ )
30 29 ssriv โŠข ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โŠ† โ„
31 resmpt โŠข ( ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โŠ† โ„ โ†’ ( ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) โ†พ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) = ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) )
32 30 31 ax-mp โŠข ( ( ๐‘ง โˆˆ โ„ โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) โ†พ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) = ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) )
33 22 32 eqtri โŠข ( ๐น โ†พ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) = ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) )
34 33 rneqi โŠข ran ( ๐น โ†พ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) = ran ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) )
35 0re โŠข 0 โˆˆ โ„
36 eqid โŠข ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) = ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) )
37 26 recni โŠข ( 2 ยท ฯ€ ) โˆˆ โ„‚
38 37 addlidi โŠข ( 0 + ( 2 ยท ฯ€ ) ) = ( 2 ยท ฯ€ )
39 38 oveq2i โŠข ( 0 (,] ( 0 + ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) = ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) )
40 39 eqcomi โŠข ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) = ( 0 (,] ( 0 + ( 2 ยท ฯ€ ) ) )
41 36 2 40 efif1o โŠข ( 0 โˆˆ โ„ โ†’ ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) : ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ€“1-1-ontoโ†’ ๐ถ )
42 35 41 ax-mp โŠข ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) : ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ€“1-1-ontoโ†’ ๐ถ
43 f1ofo โŠข ( ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) : ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ€“1-1-ontoโ†’ ๐ถ โ†’ ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) : ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ€“ontoโ†’ ๐ถ )
44 forn โŠข ( ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) : ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ€“ontoโ†’ ๐ถ โ†’ ran ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) = ๐ถ )
45 42 43 44 mp2b โŠข ran ( ๐‘ง โˆˆ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) โ†ฆ ( exp โ€˜ ( i ยท ๐‘ง ) ) ) = ๐ถ
46 34 45 eqtri โŠข ran ( ๐น โ†พ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) = ๐ถ
47 21 46 eqtri โŠข ( ๐น โ€œ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) = ๐ถ
48 imassrn โŠข ( ๐น โ€œ ( 0 (,] ( 2 ยท ฯ€ ) ) ) โŠ† ran ๐น
49 47 48 eqsstrri โŠข ๐ถ โŠ† ran ๐น
50 20 49 eqssi โŠข ran ๐น = ๐ถ
51 df-fo โŠข ( ๐น : โ„ โ€“ontoโ†’ ๐ถ โ†” ( ๐น Fn โ„ โˆง ran ๐น = ๐ถ ) )
52 18 50 51 mpbir2an โŠข ๐น : โ„ โ€“ontoโ†’ ๐ถ