Metamath Proof Explorer


Theorem expcl2lem

Description: Lemma for proving integer exponentiation closure laws. (Contributed by Mario Carneiro, 4-Jun-2014) (Revised by Mario Carneiro, 9-Sep-2014)

Ref Expression
Hypotheses expcllem.1 โŠข ๐น โŠ† โ„‚
expcllem.2 โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐น ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ๐น )
expcllem.3 โŠข 1 โˆˆ ๐น
expcl2lem.4 โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐น โˆง ๐‘ฅ โ‰  0 ) โ†’ ( 1 / ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐น )
Assertion expcl2lem ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 โˆง ๐ต โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) โˆˆ ๐น )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 expcllem.1 โŠข ๐น โŠ† โ„‚
2 expcllem.2 โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐น โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐น ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ๐น )
3 expcllem.3 โŠข 1 โˆˆ ๐น
4 expcl2lem.4 โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐น โˆง ๐‘ฅ โ‰  0 ) โ†’ ( 1 / ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐น )
5 elznn0nn โŠข ( ๐ต โˆˆ โ„ค โ†” ( ๐ต โˆˆ โ„•0 โˆจ ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) )
6 1 2 3 expcllem โŠข ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ต โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) โˆˆ ๐น )
7 6 ex โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐น โ†’ ( ๐ต โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) โˆˆ ๐น ) )
8 7 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โ†’ ( ๐ต โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) โˆˆ ๐น ) )
9 simpll โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ๐ด โˆˆ ๐น )
10 1 9 sselid โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
11 simprl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ๐ต โˆˆ โ„ )
12 11 recnd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ๐ต โˆˆ โ„‚ )
13 nnnn0 โŠข ( - ๐ต โˆˆ โ„• โ†’ - ๐ต โˆˆ โ„•0 )
14 13 ad2antll โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ - ๐ต โˆˆ โ„•0 )
15 expneg2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) = ( 1 / ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) ) )
16 10 12 14 15 syl3anc โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) = ( 1 / ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) ) )
17 difss โŠข ( ๐น โˆ– { 0 } ) โŠ† ๐น
18 simpl โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) )
19 eldifsn โŠข ( ๐ด โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†” ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) )
20 18 19 sylibr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ๐ด โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) )
21 17 1 sstri โŠข ( ๐น โˆ– { 0 } ) โŠ† โ„‚
22 17 sseli โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ๐น )
23 17 sseli โŠข ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ ๐น )
24 22 23 2 syl2an โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ๐น )
25 eldifsn โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†” ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐น โˆง ๐‘ฅ โ‰  0 ) )
26 1 sseli โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐น โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ )
27 26 anim1i โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐น โˆง ๐‘ฅ โ‰  0 ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฅ โ‰  0 ) )
28 25 27 sylbi โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฅ โ‰  0 ) )
29 eldifsn โŠข ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†” ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐น โˆง ๐‘ฆ โ‰  0 ) )
30 1 sseli โŠข ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐น โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ )
31 30 anim1i โŠข ( ( ๐‘ฆ โˆˆ ๐น โˆง ๐‘ฆ โ‰  0 ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฆ โ‰  0 ) )
32 29 31 sylbi โŠข ( ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฆ โ‰  0 ) )
33 mulne0 โŠข ( ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฅ โ‰  0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฆ โ‰  0 ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โ‰  0 )
34 28 32 33 syl2an โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โ‰  0 )
35 eldifsn โŠข ( ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†” ( ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ๐น โˆง ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โ‰  0 ) )
36 24 34 35 sylanbrc โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘ฆ ) โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) )
37 ax-1ne0 โŠข 1 โ‰  0
38 eldifsn โŠข ( 1 โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†” ( 1 โˆˆ ๐น โˆง 1 โ‰  0 ) )
39 3 37 38 mpbir2an โŠข 1 โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } )
40 21 36 39 expcllem โŠข ( ( ๐ด โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โˆง - ๐ต โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) )
41 20 14 40 syl2anc โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) )
42 17 41 sselid โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โˆˆ ๐น )
43 eldifsn โŠข ( ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โˆˆ ( ๐น โˆ– { 0 } ) โ†” ( ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โˆˆ ๐น โˆง ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ‰  0 ) )
44 41 43 sylib โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โˆˆ ๐น โˆง ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ‰  0 ) )
45 44 simprd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ‰  0 )
46 neeq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โ‰  0 โ†” ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ‰  0 ) )
47 oveq2 โŠข ( ๐‘ฅ = ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ†’ ( 1 / ๐‘ฅ ) = ( 1 / ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) ) )
48 47 eleq1d โŠข ( ๐‘ฅ = ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ†’ ( ( 1 / ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐น โ†” ( 1 / ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) ) โˆˆ ๐น ) )
49 46 48 imbi12d โŠข ( ๐‘ฅ = ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โ‰  0 โ†’ ( 1 / ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐น ) โ†” ( ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ‰  0 โ†’ ( 1 / ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) ) โˆˆ ๐น ) ) )
50 4 ex โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐น โ†’ ( ๐‘ฅ โ‰  0 โ†’ ( 1 / ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐น ) )
51 49 50 vtoclga โŠข ( ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โˆˆ ๐น โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) โ‰  0 โ†’ ( 1 / ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) ) โˆˆ ๐น ) )
52 42 45 51 sylc โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( 1 / ( ๐ด โ†‘ - ๐ต ) ) โˆˆ ๐น )
53 16 52 eqeltrd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โˆง ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) โˆˆ ๐น )
54 53 ex โŠข ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โ†’ ( ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) โˆˆ ๐น ) )
55 8 54 jaod โŠข ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โ†’ ( ( ๐ต โˆˆ โ„•0 โˆจ ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง - ๐ต โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) โˆˆ ๐น ) )
56 5 55 biimtrid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 ) โ†’ ( ๐ต โˆˆ โ„ค โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) โˆˆ ๐น ) )
57 56 3impia โŠข ( ( ๐ด โˆˆ ๐น โˆง ๐ด โ‰  0 โˆง ๐ต โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐ด โ†‘ ๐ต ) โˆˆ ๐น )