Metamath Proof Explorer


Theorem atanlogsub

Description: A variation on atanlogadd , to show that sqrt ( 1 +i z ) / sqrt ( 1 - i z ) = sqrt ( ( 1 +i z ) / ( 1 - i z ) ) under more limited conditions. (Contributed by Mario Carneiro, 4-Apr-2015)

Ref Expression
Assertion atanlogsub ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ran ⁡ log

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ax-1cn ⊢ 1 ∈ ℂ
2 ax-icn ⊢ i ∈ ℂ
3 atandm2 ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ↔ A ∈ ℂ ∧ 1 − i ⁢ A ≠ 0 ∧ 1 + i ⁢ A ≠ 0
4 3 simp1bi ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → A ∈ ℂ
5 mulcl ⊢ i ∈ ℂ ∧ A ∈ ℂ → i ⁢ A ∈ ℂ
6 2 4 5 sylancr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → i ⁢ A ∈ ℂ
7 addcl ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ i ⁢ A ∈ ℂ → 1 + i ⁢ A ∈ ℂ
8 1 6 7 sylancr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 + i ⁢ A ∈ ℂ
9 3 simp3bi ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 + i ⁢ A ≠ 0
10 8 9 logcld ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → log ⁡ 1 + i ⁢ A ∈ ℂ
11 subcl ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ i ⁢ A ∈ ℂ → 1 − i ⁢ A ∈ ℂ
12 1 6 11 sylancr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 − i ⁢ A ∈ ℂ
13 3 simp2bi ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 − i ⁢ A ≠ 0
14 12 13 logcld ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ℂ
15 10 14 subcld ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ℂ
16 15 adantr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ℂ
17 4 recld ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → ℜ ⁡ A ∈ ℝ
18 0re ⊢ 0 ∈ ℝ
19 lttri2 ⊢ ℜ ⁡ A ∈ ℝ ∧ 0 ∈ ℝ → ℜ ⁡ A ≠ 0 ↔ ℜ ⁡ A < 0 ∨ 0 < ℜ ⁡ A
20 17 18 19 sylancl ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → ℜ ⁡ A ≠ 0 ↔ ℜ ⁡ A < 0 ∨ 0 < ℜ ⁡ A
21 20 biimpa ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → ℜ ⁡ A < 0 ∨ 0 < ℜ ⁡ A
22 15 imnegd ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → ℑ ⁡ − log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A = − ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A
23 10 14 negsubdi2d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → − log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A = log ⁡ 1 − i ⁢ A − log ⁡ 1 + i ⁢ A
24 mulneg2 ⊢ i ∈ ℂ ∧ A ∈ ℂ → i ⁢ − A = − i ⁢ A
25 2 4 24 sylancr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → i ⁢ − A = − i ⁢ A
26 25 oveq2d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 + i ⁢ − A = 1 + − i ⁢ A
27 negsub ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ i ⁢ A ∈ ℂ → 1 + − i ⁢ A = 1 − i ⁢ A
28 1 6 27 sylancr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 + − i ⁢ A = 1 − i ⁢ A
29 26 28 eqtrd ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 + i ⁢ − A = 1 − i ⁢ A
30 29 fveq2d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → log ⁡ 1 + i ⁢ − A = log ⁡ 1 − i ⁢ A
31 25 oveq2d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 − i ⁢ − A = 1 − − i ⁢ A
32 subneg ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ i ⁢ A ∈ ℂ → 1 − − i ⁢ A = 1 + i ⁢ A
33 1 6 32 sylancr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 − − i ⁢ A = 1 + i ⁢ A
34 31 33 eqtrd ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → 1 − i ⁢ − A = 1 + i ⁢ A
35 34 fveq2d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → log ⁡ 1 − i ⁢ − A = log ⁡ 1 + i ⁢ A
36 30 35 oveq12d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → log ⁡ 1 + i ⁢ − A − log ⁡ 1 − i ⁢ − A = log ⁡ 1 − i ⁢ A − log ⁡ 1 + i ⁢ A
37 23 36 eqtr4d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → − log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A = log ⁡ 1 + i ⁢ − A − log ⁡ 1 − i ⁢ − A
38 37 fveq2d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → ℑ ⁡ − log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A = ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ − A − log ⁡ 1 − i ⁢ − A
39 22 38 eqtr3d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → − ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A = ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ − A − log ⁡ 1 − i ⁢ − A
40 39 adantr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → − ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A = ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ − A − log ⁡ 1 − i ⁢ − A
41 atandmneg ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → − A ∈ dom ⁡ arctan
42 17 lt0neg1d ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan → ℜ ⁡ A < 0 ↔ 0 < − ℜ ⁡ A
43 42 biimpa ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → 0 < − ℜ ⁡ A
44 4 adantr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → A ∈ ℂ
45 44 renegd ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → ℜ ⁡ − A = − ℜ ⁡ A
46 43 45 breqtrrd ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → 0 < ℜ ⁡ − A
47 atanlogsublem ⊢ − A ∈ dom ⁡ arctan ∧ 0 < ℜ ⁡ − A → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ − A − log ⁡ 1 − i ⁢ − A ∈ − π π
48 41 46 47 syl2an2r ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ − A − log ⁡ 1 − i ⁢ − A ∈ − π π
49 picn ⊢ π ∈ ℂ
50 49 negnegi ⊢ − − π = π
51 50 oveq2i ⊢ − π − − π = − π π
52 48 51 eleqtrrdi ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ − A − log ⁡ 1 − i ⁢ − A ∈ − π − − π
53 40 52 eqeltrd ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → − ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π − − π
54 pire ⊢ π ∈ ℝ
55 54 renegcli ⊢ − π ∈ ℝ
56 15 adantr ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ℂ
57 56 imcld ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ℝ
58 iooneg ⊢ − π ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ ∧ ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ℝ → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π π ↔ − ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π − − π
59 55 54 57 58 mp3an12i ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π π ↔ − ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π − − π
60 53 59 mpbird ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π π
61 atanlogsublem ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ 0 < ℜ ⁡ A → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π π
62 60 61 jaodan ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A < 0 ∨ 0 < ℜ ⁡ A → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π π
63 21 62 syldan ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π π
64 eliooord ⊢ ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ − π π → − π < ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∧ ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A < π
65 63 64 syl ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → − π < ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∧ ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A < π
66 65 simpld ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → − π < ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A
67 65 simprd ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A < π
68 16 imcld ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ℝ
69 ltle ⊢ ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A < π → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ≤ π
70 68 54 69 sylancl ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A < π → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ≤ π
71 67 70 mpd ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ≤ π
72 ellogrn ⊢ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ran ⁡ log ↔ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ℂ ∧ − π < ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∧ ℑ ⁡ log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ≤ π
73 16 66 71 72 syl3anbrc ⊢ A ∈ dom ⁡ arctan ∧ ℜ ⁡ A ≠ 0 → log ⁡ 1 + i ⁢ A − log ⁡ 1 − i ⁢ A ∈ ran ⁡ log