Metamath Proof Explorer


Theorem efsubm

Description: The image of a subgroup of the group + , under the exponential function of a scaled complex number is a submonoid of the multiplicative group of CCfld . (Contributed 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 efsubm ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐น โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) )

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 eff โŠข exp : โ„‚ โŸถ โ„‚
6 5 a1i โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ exp : โ„‚ โŸถ โ„‚ )
7 3 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
8 cnfldbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ โ„‚fld )
9 8 subgss โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) โ†’ ๐‘‹ โІ โ„‚ )
10 4 9 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โІ โ„‚ )
11 10 sselda โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ )
12 7 11 mulcld โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ )
13 6 12 ffvelcdmd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ )
14 13 ralrimiva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ )
15 1 rnmptss โŠข ( โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ran ๐น โІ โ„‚ )
16 14 15 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐น โІ โ„‚ )
17 3 mul01d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด ยท 0 ) = 0 )
18 17 fveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) = ( exp โ€˜ 0 ) )
19 ef0 โŠข ( exp โ€˜ 0 ) = 1
20 18 19 eqtrdi โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) = 1 )
21 cnfld0 โŠข 0 = ( 0g โ€˜ โ„‚fld )
22 21 subg0cl โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ โ„‚fld ) โ†’ 0 โˆˆ ๐‘‹ )
23 4 22 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 0 โˆˆ ๐‘‹ )
24 fvex โŠข ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) โˆˆ V
25 oveq2 โŠข ( ๐‘ฅ = 0 โ†’ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) = ( ๐ด ยท 0 ) )
26 25 fveq2d โŠข ( ๐‘ฅ = 0 โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) = ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) )
27 1 26 elrnmpt1s โŠข ( ( 0 โˆˆ ๐‘‹ โˆง ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) โˆˆ V ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) โˆˆ ran ๐น )
28 23 24 27 sylancl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท 0 ) ) โˆˆ ran ๐น )
29 20 28 eqeltrrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 1 โˆˆ ran ๐น )
30 1 2 3 4 efabl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐บ โˆˆ Abel )
31 ablgrp โŠข ( ๐บ โˆˆ Abel โ†’ ๐บ โˆˆ Grp )
32 30 31 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐บ โˆˆ Grp )
33 32 3ad2ant1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ๐บ โˆˆ Grp )
34 simp2 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น )
35 eqid โŠข ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) = ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld )
36 35 8 mgpbas โŠข โ„‚ = ( Base โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
37 2 36 ressbas2 โŠข ( ran ๐น โІ โ„‚ โ†’ ran ๐น = ( Base โ€˜ ๐บ ) )
38 16 37 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐น = ( Base โ€˜ ๐บ ) )
39 38 3ad2ant1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ran ๐น = ( Base โ€˜ ๐บ ) )
40 34 39 eleqtrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
41 simp3 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น )
42 41 39 eleqtrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
43 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐บ ) = ( Base โ€˜ ๐บ )
44 eqid โŠข ( +g โ€˜ ๐บ ) = ( +g โ€˜ ๐บ )
45 43 44 grpcl โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp 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 ) )
46 33 40 42 45 syl3anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐บ ) )
47 4 mptexd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ โ†ฆ ( exp โ€˜ ( ๐ด ยท ๐‘ฅ ) ) ) โˆˆ V )
48 1 47 eqeltrid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น โˆˆ V )
49 rnexg โŠข ( ๐น โˆˆ V โ†’ ran ๐น โˆˆ V )
50 cnfldmul โŠข ยท = ( .r โ€˜ โ„‚fld )
51 35 50 mgpplusg โŠข ยท = ( +g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
52 2 51 ressplusg โŠข ( ran ๐น โˆˆ V โ†’ ยท = ( +g โ€˜ ๐บ ) )
53 48 49 52 3syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ยท = ( +g โ€˜ ๐บ ) )
54 53 3ad2ant1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ยท = ( +g โ€˜ ๐บ ) )
55 54 oveqd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) )
56 46 55 39 3eltr4d โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ran ๐น )
57 56 3expb โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ran ๐น )
58 57 ralrimivva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ran ๐น )
59 cnring โŠข โ„‚fld โˆˆ Ring
60 35 ringmgp โŠข ( โ„‚fld โˆˆ Ring โ†’ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd )
61 cnfld1 โŠข 1 = ( 1r โ€˜ โ„‚fld )
62 35 61 ringidval โŠข 1 = ( 0g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) )
63 36 62 51 issubm โŠข ( ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Mnd โ†’ ( ran ๐น โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) โ†” ( ran ๐น โІ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ ran ๐น โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ran ๐น ) ) )
64 59 60 63 mp2b โŠข ( ran ๐น โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) โ†” ( ran ๐น โІ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ ran ๐น โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ran ๐น โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ran ๐น ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ran ๐น ) )
65 16 29 58 64 syl3anbrc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐น โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ( mulGrp โ€˜ โ„‚fld ) ) )