Metamath Proof Explorer


Theorem expadd

Description: Sum of exponents law for nonnegative integer exponentiation. Proposition 10-4.2(a) of Gleason p. 135. (Contributed by NM, 30-Nov-2004)

Ref Expression
Assertion expadd ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘ ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 oveq2 โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( ๐‘€ + ๐‘— ) = ( ๐‘€ + 0 ) )
2 1 oveq2d โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + 0 ) ) )
3 oveq2 โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) = ( ๐ด โ†‘ 0 ) )
4 3 oveq2d โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ 0 ) ) )
5 2 4 eqeq12d โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) โ†” ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + 0 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ 0 ) ) ) )
6 5 imbi2d โŠข ( ๐‘— = 0 โ†’ ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) ) โ†” ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + 0 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ 0 ) ) ) ) )
7 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( ๐‘€ + ๐‘— ) = ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) )
8 7 oveq2d โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) )
9 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) )
10 9 oveq2d โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) )
11 8 10 eqeq12d โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) โ†” ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) )
12 11 imbi2d โŠข ( ๐‘— = ๐‘˜ โ†’ ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) ) โ†” ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) ) )
13 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( ๐‘€ + ๐‘— ) = ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
14 13 oveq2d โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) )
15 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) = ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
16 15 oveq2d โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) )
17 14 16 eqeq12d โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) โ†” ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) ) )
18 17 imbi2d โŠข ( ๐‘— = ( ๐‘˜ + 1 ) โ†’ ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) ) โ†” ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) ) ) )
19 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( ๐‘€ + ๐‘— ) = ( ๐‘€ + ๐‘ ) )
20 19 oveq2d โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) )
21 oveq2 โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘ ) )
22 21 oveq2d โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘ ) ) )
23 20 22 eqeq12d โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) โ†” ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘ ) ) ) )
24 23 imbi2d โŠข ( ๐‘— = ๐‘ โ†’ ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘— ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘— ) ) ) โ†” ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘ ) ) ) ) )
25 nn0cn โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„‚ )
26 25 addridd โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐‘€ + 0 ) = ๐‘€ )
27 26 adantl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘€ + 0 ) = ๐‘€ )
28 27 oveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + 0 ) ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) )
29 expcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) โˆˆ โ„‚ )
30 29 mulridd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท 1 ) = ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) )
31 28 30 eqtr4d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + 0 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท 1 ) )
32 exp0 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด โ†‘ 0 ) = 1 )
33 32 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ 0 ) = 1 )
34 33 oveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ 0 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท 1 ) )
35 31 34 eqtr4d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + 0 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ 0 ) ) )
36 oveq1 โŠข ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) ยท ๐ด ) = ( ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) ยท ๐ด ) )
37 nn0cn โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ )
38 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
39 addass โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) + 1 ) = ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
40 38 39 mp3an3 โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) + 1 ) = ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
41 25 37 40 syl2an โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) + 1 ) = ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
42 41 adantll โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) + 1 ) = ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) )
43 42 oveq2d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) + 1 ) ) = ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) )
44 simpll โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
45 nn0addcl โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) โˆˆ โ„•0 )
46 45 adantll โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) โˆˆ โ„•0 )
47 expp1 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) + 1 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) ยท ๐ด ) )
48 44 46 47 syl2anc โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) + 1 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) ยท ๐ด ) )
49 43 48 eqtr3d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) ยท ๐ด ) )
50 expp1 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ๐ด ) )
51 50 adantlr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ๐ด ) )
52 51 oveq2d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ๐ด ) ) )
53 29 adantr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) โˆˆ โ„‚ )
54 expcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
55 54 adantlr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) โˆˆ โ„‚ )
56 53 55 44 mulassd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) ยท ๐ด ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ยท ๐ด ) ) )
57 52 56 eqtr4d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) ยท ๐ด ) )
58 49 57 eqeq12d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) โ†” ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) ยท ๐ด ) = ( ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) ยท ๐ด ) ) )
59 36 58 imbitrrid โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) ) )
60 59 expcom โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) ) ) )
61 60 a2d โŠข ( ๐‘˜ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘˜ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘˜ ) ) ) โ†’ ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘˜ + 1 ) ) ) ) ) )
62 6 12 18 24 35 61 nn0ind โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘ ) ) ) )
63 62 expdcom โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘ ) ) ) ) )
64 63 3imp โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ ๐‘€ ) ยท ( ๐ด โ†‘ ๐‘ ) ) )