Metamath Proof Explorer


Theorem pythag

Description: Pythagorean theorem. Given three distinct points A, B, and C that form a right triangle (with the right angle at C), prove a relationship between their segment lengths. This theorem is expressed using the complex number plane as a plane, where F is the signed angle construct (as used in ang180 ), X is the distance of line segment BC, Y is the distance of line segment AC, Z is the distance of line segment AB (the hypotenuse), and O is the signed right angle m/__ BCA. We use the law of cosines lawcos to prove this, along with simple trigonometry facts like coshalfpi and cosneg . (Contributed by David A. Wheeler, 13-Jun-2015)

Ref Expression
Hypotheses lawcos.1 โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„‚ โˆ– { 0 } ) , ๐‘ฆ โˆˆ ( โ„‚ โˆ– { 0 } ) โ†ฆ ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ( ๐‘ฆ / ๐‘ฅ ) ) ) )
lawcos.2 โŠข ๐‘‹ = ( abs โ€˜ ( ๐ต โˆ’ ๐ถ ) )
lawcos.3 โŠข ๐‘Œ = ( abs โ€˜ ( ๐ด โˆ’ ๐ถ ) )
lawcos.4 โŠข ๐‘ = ( abs โ€˜ ( ๐ด โˆ’ ๐ต ) )
lawcos.5 โŠข ๐‘‚ = ( ( ๐ต โˆ’ ๐ถ ) ๐น ( ๐ด โˆ’ ๐ถ ) )
Assertion pythag ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ๐‘ โ†‘ 2 ) = ( ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) + ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lawcos.1 โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„‚ โˆ– { 0 } ) , ๐‘ฆ โˆˆ ( โ„‚ โˆ– { 0 } ) โ†ฆ ( โ„‘ โ€˜ ( log โ€˜ ( ๐‘ฆ / ๐‘ฅ ) ) ) )
2 lawcos.2 โŠข ๐‘‹ = ( abs โ€˜ ( ๐ต โˆ’ ๐ถ ) )
3 lawcos.3 โŠข ๐‘Œ = ( abs โ€˜ ( ๐ด โˆ’ ๐ถ ) )
4 lawcos.4 โŠข ๐‘ = ( abs โ€˜ ( ๐ด โˆ’ ๐ต ) )
5 lawcos.5 โŠข ๐‘‚ = ( ( ๐ต โˆ’ ๐ถ ) ๐น ( ๐ด โˆ’ ๐ถ ) )
6 1 2 3 4 5 lawcos โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) ) โ†’ ( ๐‘ โ†‘ 2 ) = ( ( ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) + ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) ) โˆ’ ( 2 ยท ( ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) ยท ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) ) ) ) )
7 6 3adant3 โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ๐‘ โ†‘ 2 ) = ( ( ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) + ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) ) โˆ’ ( 2 ยท ( ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) ยท ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) ) ) ) )
8 elpri โŠข ( ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } โ†’ ( ๐‘‚ = ( ฯ€ / 2 ) โˆจ ๐‘‚ = - ( ฯ€ / 2 ) ) )
9 fveq2 โŠข ( ๐‘‚ = ( ฯ€ / 2 ) โ†’ ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) = ( cos โ€˜ ( ฯ€ / 2 ) ) )
10 coshalfpi โŠข ( cos โ€˜ ( ฯ€ / 2 ) ) = 0
11 9 10 eqtrdi โŠข ( ๐‘‚ = ( ฯ€ / 2 ) โ†’ ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) = 0 )
12 fveq2 โŠข ( ๐‘‚ = - ( ฯ€ / 2 ) โ†’ ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) = ( cos โ€˜ - ( ฯ€ / 2 ) ) )
13 cosneghalfpi โŠข ( cos โ€˜ - ( ฯ€ / 2 ) ) = 0
14 12 13 eqtrdi โŠข ( ๐‘‚ = - ( ฯ€ / 2 ) โ†’ ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) = 0 )
15 11 14 jaoi โŠข ( ( ๐‘‚ = ( ฯ€ / 2 ) โˆจ ๐‘‚ = - ( ฯ€ / 2 ) ) โ†’ ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) = 0 )
16 8 15 syl โŠข ( ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } โ†’ ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) = 0 )
17 16 3ad2ant3 โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) = 0 )
18 17 oveq2d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) ยท ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) ) = ( ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) ยท 0 ) )
19 subcl โŠข ( ( ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ต โˆ’ ๐ถ ) โˆˆ โ„‚ )
20 19 3adant1 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ต โˆ’ ๐ถ ) โˆˆ โ„‚ )
21 20 3ad2ant1 โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ๐ต โˆ’ ๐ถ ) โˆˆ โ„‚ )
22 21 abscld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐ต โˆ’ ๐ถ ) ) โˆˆ โ„ )
23 22 recnd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐ต โˆ’ ๐ถ ) ) โˆˆ โ„‚ )
24 2 23 eqeltrid โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ โ„‚ )
25 subcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ด โˆ’ ๐ถ ) โˆˆ โ„‚ )
26 25 3adant2 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ๐ด โˆ’ ๐ถ ) โˆˆ โ„‚ )
27 26 3ad2ant1 โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ๐ด โˆ’ ๐ถ ) โˆˆ โ„‚ )
28 27 abscld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐ด โˆ’ ๐ถ ) ) โˆˆ โ„ )
29 28 recnd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐ด โˆ’ ๐ถ ) ) โˆˆ โ„‚ )
30 3 29 eqeltrid โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ๐‘Œ โˆˆ โ„‚ )
31 24 30 mulcld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) โˆˆ โ„‚ )
32 31 mul01d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) ยท 0 ) = 0 )
33 18 32 eqtrd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) ยท ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) ) = 0 )
34 33 oveq2d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( 2 ยท ( ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) ยท ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) ) ) = ( 2 ยท 0 ) )
35 2t0e0 โŠข ( 2 ยท 0 ) = 0
36 34 35 eqtrdi โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( 2 ยท ( ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) ยท ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) ) ) = 0 )
37 36 oveq2d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ( ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) + ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) ) โˆ’ ( 2 ยท ( ( ๐‘‹ ยท ๐‘Œ ) ยท ( cos โ€˜ ๐‘‚ ) ) ) ) = ( ( ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) + ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) ) โˆ’ 0 ) )
38 24 sqcld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„‚ )
39 30 sqcld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„‚ )
40 38 39 addcld โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) + ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) ) โˆˆ โ„‚ )
41 40 subid1d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ( ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) + ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) ) โˆ’ 0 ) = ( ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) + ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) ) )
42 7 37 41 3eqtrd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ถ โˆˆ โ„‚ ) โˆง ( ๐ด โ‰  ๐ถ โˆง ๐ต โ‰  ๐ถ ) โˆง ๐‘‚ โˆˆ { ( ฯ€ / 2 ) , - ( ฯ€ / 2 ) } ) โ†’ ( ๐‘ โ†‘ 2 ) = ( ( ๐‘‹ โ†‘ 2 ) + ( ๐‘Œ โ†‘ 2 ) ) )