Metamath Proof Explorer


Theorem extdgmul

Description: The multiplicativity formula for degrees of field extensions. Given E a field extension of F , itself a field extension of K , the degree of the extension E /FldExt K is the product of the degrees of the extensions E /FldExt F and F /FldExt K . Proposition 1.2 of Lang, p. 224. (Contributed by Thierry Arnoux, 30-Jul-2023)

Ref Expression
Assertion extdgmul ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐ธ [:] ๐พ ) = ( ( ๐ธ [:] ๐น ) ยทe ( ๐น [:] ๐พ ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 eqid โŠข ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) = ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) )
2 eqid โŠข ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐น ) ) = ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐น ) )
3 eqid โŠข ( ( subringAlg โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) = ( ( subringAlg โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) )
4 eqid โŠข ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) )
5 eqid โŠข ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐พ ) ) = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐พ ) )
6 simpl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐ธ /FldExt ๐น )
7 fldextfld1 โŠข ( ๐ธ /FldExt ๐น โ†’ ๐ธ โˆˆ Field )
8 6 7 syl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐ธ โˆˆ Field )
9 isfld โŠข ( ๐ธ โˆˆ Field โ†” ( ๐ธ โˆˆ DivRing โˆง ๐ธ โˆˆ CRing ) )
10 9 simplbi โŠข ( ๐ธ โˆˆ Field โ†’ ๐ธ โˆˆ DivRing )
11 8 10 syl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐ธ โˆˆ DivRing )
12 fldextfld1 โŠข ( ๐น /FldExt ๐พ โ†’ ๐น โˆˆ Field )
13 12 adantl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐น โˆˆ Field )
14 brfldext โŠข ( ( ๐ธ โˆˆ Field โˆง ๐น โˆˆ Field ) โ†’ ( ๐ธ /FldExt ๐น โ†” ( ๐น = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) โˆง ( Base โ€˜ ๐น ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ๐ธ ) ) ) )
15 8 13 14 syl2anc โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐ธ /FldExt ๐น โ†” ( ๐น = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) โˆง ( Base โ€˜ ๐น ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ๐ธ ) ) ) )
16 6 15 mpbid โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐น = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) โˆง ( Base โ€˜ ๐น ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ๐ธ ) ) )
17 16 simpld โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐น = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) )
18 isfld โŠข ( ๐น โˆˆ Field โ†” ( ๐น โˆˆ DivRing โˆง ๐น โˆˆ CRing ) )
19 18 simplbi โŠข ( ๐น โˆˆ Field โ†’ ๐น โˆˆ DivRing )
20 13 19 syl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐น โˆˆ DivRing )
21 17 20 eqeltrrd โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) โˆˆ DivRing )
22 fldexttr โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐ธ /FldExt ๐พ )
23 fldextfld2 โŠข ( ๐น /FldExt ๐พ โ†’ ๐พ โˆˆ Field )
24 23 adantl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐พ โˆˆ Field )
25 brfldext โŠข ( ( ๐ธ โˆˆ Field โˆง ๐พ โˆˆ Field ) โ†’ ( ๐ธ /FldExt ๐พ โ†” ( ๐พ = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐พ ) ) โˆง ( Base โ€˜ ๐พ ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ๐ธ ) ) ) )
26 8 24 25 syl2anc โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐ธ /FldExt ๐พ โ†” ( ๐พ = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐พ ) ) โˆง ( Base โ€˜ ๐พ ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ๐ธ ) ) ) )
27 22 26 mpbid โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐พ = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐พ ) ) โˆง ( Base โ€˜ ๐พ ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ๐ธ ) ) )
28 27 simpld โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐พ = ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐พ ) ) )
29 isfld โŠข ( ๐พ โˆˆ Field โ†” ( ๐พ โˆˆ DivRing โˆง ๐พ โˆˆ CRing ) )
30 29 simplbi โŠข ( ๐พ โˆˆ Field โ†’ ๐พ โˆˆ DivRing )
31 24 30 syl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ๐พ โˆˆ DivRing )
32 28 31 eqeltrrd โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐พ ) ) โˆˆ DivRing )
33 16 simprd โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( Base โ€˜ ๐น ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ๐ธ ) )
34 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐พ ) = ( Base โ€˜ ๐พ )
35 34 fldextsubrg โŠข ( ๐น /FldExt ๐พ โ†’ ( Base โ€˜ ๐พ ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ๐น ) )
36 35 adantl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( Base โ€˜ ๐พ ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ๐น ) )
37 17 fveq2d โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( SubRing โ€˜ ๐น ) = ( SubRing โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) )
38 36 37 eleqtrd โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( Base โ€˜ ๐พ ) โˆˆ ( SubRing โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) )
39 1 2 3 4 5 11 21 32 33 38 fedgmul โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) = ( ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) ยทe ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) ) )
40 extdgval โŠข ( ๐ธ /FldExt ๐พ โ†’ ( ๐ธ [:] ๐พ ) = ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) )
41 22 40 syl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐ธ [:] ๐พ ) = ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) )
42 extdgval โŠข ( ๐ธ /FldExt ๐น โ†’ ( ๐ธ [:] ๐น ) = ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) )
43 6 42 syl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐ธ [:] ๐น ) = ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) )
44 extdgval โŠข ( ๐น /FldExt ๐พ โ†’ ( ๐น [:] ๐พ ) = ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐น ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) )
45 44 adantl โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐น [:] ๐พ ) = ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐น ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) )
46 17 fveq2d โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( subringAlg โ€˜ ๐น ) = ( subringAlg โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) )
47 46 fveq1d โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ( subringAlg โ€˜ ๐น ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) = ( ( subringAlg โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) )
48 47 fveq2d โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐น ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) = ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) )
49 45 48 eqtrd โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐น [:] ๐พ ) = ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) )
50 43 49 oveq12d โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ( ๐ธ [:] ๐น ) ยทe ( ๐น [:] ๐พ ) ) = ( ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ๐ธ ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) ยทe ( dim โ€˜ ( ( subringAlg โ€˜ ( ๐ธ โ†พs ( Base โ€˜ ๐น ) ) ) โ€˜ ( Base โ€˜ ๐พ ) ) ) ) )
51 39 41 50 3eqtr4d โŠข ( ( ๐ธ /FldExt ๐น โˆง ๐น /FldExt ๐พ ) โ†’ ( ๐ธ [:] ๐พ ) = ( ( ๐ธ [:] ๐น ) ยทe ( ๐น [:] ๐พ ) ) )