Metamath Proof Explorer


Theorem logneg2

Description: The logarithm of the negative of a number with positive imaginary part is _i x. _pi less than the original. (Compare logneg .) (Contributed by Mario Carneiro, 3-Apr-2015)

Ref Expression
Assertion logneg2 ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( log โ€˜ - ๐ด ) = ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 imcl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
2 gt0ne0 โŠข ( ( ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 )
3 1 2 sylan โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 )
4 fveq2 โŠข ( ๐ด = 0 โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) = ( โ„‘ โ€˜ 0 ) )
5 im0 โŠข ( โ„‘ โ€˜ 0 ) = 0
6 4 5 eqtrdi โŠข ( ๐ด = 0 โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) = 0 )
7 6 necon3i โŠข ( ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 โ†’ ๐ด โ‰  0 )
8 3 7 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ๐ด โ‰  0 )
9 logcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โ‰  0 ) โ†’ ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
10 8 9 syldan โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
11 ax-icn โŠข i โˆˆ โ„‚
12 picn โŠข ฯ€ โˆˆ โ„‚
13 11 12 mulcli โŠข ( i ยท ฯ€ ) โˆˆ โ„‚
14 efsub โŠข ( ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( i ยท ฯ€ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) = ( ( exp โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) / ( exp โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) ) )
15 10 13 14 sylancl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) = ( ( exp โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) / ( exp โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) ) )
16 eflog โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โ‰  0 ) โ†’ ( exp โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) = ๐ด )
17 8 16 syldan โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) = ๐ด )
18 efipi โŠข ( exp โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) = - 1
19 18 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) = - 1 )
20 17 19 oveq12d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ( exp โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) / ( exp โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) ) = ( ๐ด / - 1 ) )
21 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
22 ax-1ne0 โŠข 1 โ‰  0
23 divneg2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ โ„‚ โˆง 1 โ‰  0 ) โ†’ - ( ๐ด / 1 ) = ( ๐ด / - 1 ) )
24 21 22 23 mp3an23 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ - ( ๐ด / 1 ) = ( ๐ด / - 1 ) )
25 div1 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด / 1 ) = ๐ด )
26 25 negeqd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ - ( ๐ด / 1 ) = - ๐ด )
27 24 26 eqtr3d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด / - 1 ) = - ๐ด )
28 27 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ๐ด / - 1 ) = - ๐ด )
29 15 20 28 3eqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( exp โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) = - ๐ด )
30 29 fveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( log โ€˜ ( exp โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) ) = ( log โ€˜ - ๐ด ) )
31 subcl โŠข ( ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( i ยท ฯ€ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) โˆˆ โ„‚ )
32 10 13 31 sylancl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) โˆˆ โ„‚ )
33 argimgt0 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ ( 0 (,) ฯ€ ) )
34 eliooord โŠข ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ ( 0 (,) ฯ€ ) โ†’ ( 0 < ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆง ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) < ฯ€ ) )
35 33 34 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( 0 < ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆง ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) < ฯ€ ) )
36 35 simpld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ 0 < ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) )
37 imcl โŠข ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
38 10 37 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
39 pire โŠข ฯ€ โˆˆ โ„
40 39 renegcli โŠข - ฯ€ โˆˆ โ„
41 ltaddpos2 โŠข ( ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง - ฯ€ โˆˆ โ„ ) โ†’ ( 0 < ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โ†” - ฯ€ < ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) + - ฯ€ ) ) )
42 38 40 41 sylancl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( 0 < ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โ†” - ฯ€ < ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) + - ฯ€ ) ) )
43 36 42 mpbid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ - ฯ€ < ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) + - ฯ€ ) )
44 38 recnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
45 negsub โŠข ( ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ฯ€ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) + - ฯ€ ) = ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) )
46 44 12 45 sylancl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) + - ฯ€ ) = ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) )
47 43 46 breqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ - ฯ€ < ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) )
48 imsub โŠข ( ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( i ยท ฯ€ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) = ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ( โ„‘ โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) ) )
49 10 13 48 sylancl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) = ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ( โ„‘ โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) ) )
50 reim โŠข ( ฯ€ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โ„œ โ€˜ ฯ€ ) = ( โ„‘ โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) )
51 12 50 ax-mp โŠข ( โ„œ โ€˜ ฯ€ ) = ( โ„‘ โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) )
52 rere โŠข ( ฯ€ โˆˆ โ„ โ†’ ( โ„œ โ€˜ ฯ€ ) = ฯ€ )
53 39 52 ax-mp โŠข ( โ„œ โ€˜ ฯ€ ) = ฯ€
54 51 53 eqtr3i โŠข ( โ„‘ โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) = ฯ€
55 54 oveq2i โŠข ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ( โ„‘ โ€˜ ( i ยท ฯ€ ) ) ) = ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ )
56 49 55 eqtrdi โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) = ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) )
57 47 56 breqtrrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ - ฯ€ < ( โ„‘ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) )
58 resubcl โŠข ( ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง ฯ€ โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) โˆˆ โ„ )
59 38 39 58 sylancl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) โˆˆ โ„ )
60 39 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ฯ€ โˆˆ โ„ )
61 0re โŠข 0 โˆˆ โ„
62 pipos โŠข 0 < ฯ€
63 61 39 62 ltleii โŠข 0 โ‰ค ฯ€
64 subge02 โŠข ( ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง ฯ€ โˆˆ โ„ ) โ†’ ( 0 โ‰ค ฯ€ โ†” ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) โ‰ค ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) ) )
65 38 39 64 sylancl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( 0 โ‰ค ฯ€ โ†” ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) โ‰ค ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) ) )
66 63 65 mpbii โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) โ‰ค ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) )
67 logimcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โ‰  0 ) โ†’ ( - ฯ€ < ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆง ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ฯ€ ) )
68 8 67 syldan โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( - ฯ€ < ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆง ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ฯ€ ) )
69 68 simprd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ฯ€ )
70 59 38 60 66 69 letrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ๐ด ) ) โˆ’ ฯ€ ) โ‰ค ฯ€ )
71 56 70 eqbrtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( โ„‘ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) โ‰ค ฯ€ )
72 ellogrn โŠข ( ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) โˆˆ ran log โ†” ( ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง - ฯ€ < ( โ„‘ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) โˆง ( โ„‘ โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) โ‰ค ฯ€ ) )
73 32 57 71 72 syl3anbrc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) โˆˆ ran log )
74 logef โŠข ( ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) โˆˆ ran log โ†’ ( log โ€˜ ( exp โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) ) = ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) )
75 73 74 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( log โ€˜ ( exp โ€˜ ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) ) ) = ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) )
76 30 75 eqtr3d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 0 < ( โ„‘ โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ ( log โ€˜ - ๐ด ) = ( ( log โ€˜ ๐ด ) โˆ’ ( i ยท ฯ€ ) ) )