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Theorem dchrmulcl

Description: Closure of the group operation on Dirichlet characters. (Contributed by Mario Carneiro, 18-Apr-2016)

Ref Expression
Hypotheses dchrmhm.g ⊢ G = DChr ⁡ N
dchrmhm.z ⊢ Z = ℤ/Nℤ
dchrmhm.b ⊢ D = Base G
dchrmul.t ⊢ · ˙ = + G
dchrmul.x ⊢ φ → X ∈ D
dchrmul.y ⊢ φ → Y ∈ D
Assertion dchrmulcl ⊢ φ → X · ˙ Y ∈ D

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 dchrmhm.g ⊢ G = DChr ⁡ N
2 dchrmhm.z ⊢ Z = ℤ/Nℤ
3 dchrmhm.b ⊢ D = Base G
4 dchrmul.t ⊢ · ˙ = + G
5 dchrmul.x ⊢ φ → X ∈ D
6 dchrmul.y ⊢ φ → Y ∈ D
7 1 2 3 4 5 6 dchrmul ⊢ φ → X · ˙ Y = X × f Y
8 mulcl ⊢ x ∈ ℂ ∧ y ∈ ℂ → x ⁢ y ∈ ℂ
9 8 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ ℂ ∧ y ∈ ℂ → x ⁢ y ∈ ℂ
10 eqid ⊢ Base Z = Base Z
11 1 2 3 10 5 dchrf ⊢ φ → X : Base Z ⟶ ℂ
12 1 2 3 10 6 dchrf ⊢ φ → Y : Base Z ⟶ ℂ
13 fvexd ⊢ φ → Base Z ∈ V
14 inidm ⊢ Base Z ∩ Base Z = Base Z
15 9 11 12 13 13 14 off ⊢ φ → X × f Y : Base Z ⟶ ℂ
16 eqid ⊢ Unit ⁡ Z = Unit ⁡ Z
17 10 16 unitcl ⊢ x ∈ Unit ⁡ Z → x ∈ Base Z
18 10 16 unitcl ⊢ y ∈ Unit ⁡ Z → y ∈ Base Z
19 17 18 anim12i ⊢ x ∈ Unit ⁡ Z ∧ y ∈ Unit ⁡ Z → x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z
20 1 3 dchrrcl ⊢ X ∈ D → N ∈ ℕ
21 5 20 syl ⊢ φ → N ∈ ℕ
22 1 2 10 16 21 3 dchrelbas2 ⊢ φ → X ∈ D ↔ X ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld ∧ ∀ x ∈ Base Z X ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
23 5 22 mpbid ⊢ φ → X ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld ∧ ∀ x ∈ Base Z X ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
24 23 simpld ⊢ φ → X ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld
25 eqid ⊢ mulGrp Z = mulGrp Z
26 25 10 mgpbas ⊢ Base Z = Base mulGrp Z
27 eqid ⊢ ⋅ Z = ⋅ Z
28 25 27 mgpplusg ⊢ ⋅ Z = + mulGrp Z
29 eqid ⊢ mulGrp ℂ fld = mulGrp ℂ fld
30 cnfldmul ⊢ × = ⋅ ℂ fld
31 29 30 mgpplusg ⊢ × = + mulGrp ℂ fld
32 26 28 31 mhmlin ⊢ X ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X ⁡ x ⋅ Z y = X ⁡ x ⁢ X ⁡ y
33 32 3expb ⊢ X ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X ⁡ x ⋅ Z y = X ⁡ x ⁢ X ⁡ y
34 24 33 sylan ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X ⁡ x ⋅ Z y = X ⁡ x ⁢ X ⁡ y
35 1 2 10 16 21 3 dchrelbas2 ⊢ φ → Y ∈ D ↔ Y ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld ∧ ∀ x ∈ Base Z Y ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
36 6 35 mpbid ⊢ φ → Y ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld ∧ ∀ x ∈ Base Z Y ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
37 36 simpld ⊢ φ → Y ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld
38 26 28 31 mhmlin ⊢ Y ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → Y ⁡ x ⋅ Z y = Y ⁡ x ⁢ Y ⁡ y
39 38 3expb ⊢ Y ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → Y ⁡ x ⋅ Z y = Y ⁡ x ⁢ Y ⁡ y
40 37 39 sylan ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → Y ⁡ x ⋅ Z y = Y ⁡ x ⁢ Y ⁡ y
41 34 40 oveq12d ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X ⁡ x ⋅ Z y ⁢ Y ⁡ x ⋅ Z y = X ⁡ x ⁢ X ⁡ y ⁢ Y ⁡ x ⁢ Y ⁡ y
42 11 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → X ⁡ x ∈ ℂ
43 42 adantrr ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X ⁡ x ∈ ℂ
44 simpr ⊢ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → y ∈ Base Z
45 ffvelcdm ⊢ X : Base Z ⟶ ℂ ∧ y ∈ Base Z → X ⁡ y ∈ ℂ
46 11 44 45 syl2an ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X ⁡ y ∈ ℂ
47 12 ffvelcdmda ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → Y ⁡ x ∈ ℂ
48 47 adantrr ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → Y ⁡ x ∈ ℂ
49 ffvelcdm ⊢ Y : Base Z ⟶ ℂ ∧ y ∈ Base Z → Y ⁡ y ∈ ℂ
50 12 44 49 syl2an ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → Y ⁡ y ∈ ℂ
51 43 46 48 50 mul4d ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X ⁡ x ⁢ X ⁡ y ⁢ Y ⁡ x ⁢ Y ⁡ y = X ⁡ x ⁢ Y ⁡ x ⁢ X ⁡ y ⁢ Y ⁡ y
52 41 51 eqtrd ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X ⁡ x ⋅ Z y ⁢ Y ⁡ x ⋅ Z y = X ⁡ x ⁢ Y ⁡ x ⁢ X ⁡ y ⁢ Y ⁡ y
53 11 ffnd ⊢ φ → X Fn Base Z
54 53 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X Fn Base Z
55 12 ffnd ⊢ φ → Y Fn Base Z
56 55 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → Y Fn Base Z
57 fvexd ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → Base Z ∈ V
58 21 nnnn0d ⊢ φ → N ∈ ℕ 0
59 2 zncrng ⊢ N ∈ ℕ 0 → Z ∈ CRing
60 crngring ⊢ Z ∈ CRing → Z ∈ Ring
61 58 59 60 3syl ⊢ φ → Z ∈ Ring
62 10 27 ringcl ⊢ Z ∈ Ring ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → x ⋅ Z y ∈ Base Z
63 62 3expb ⊢ Z ∈ Ring ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → x ⋅ Z y ∈ Base Z
64 61 63 sylan ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → x ⋅ Z y ∈ Base Z
65 fnfvof ⊢ X Fn Base Z ∧ Y Fn Base Z ∧ Base Z ∈ V ∧ x ⋅ Z y ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x ⋅ Z y = X ⁡ x ⋅ Z y ⁢ Y ⁡ x ⋅ Z y
66 54 56 57 64 65 syl22anc ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x ⋅ Z y = X ⁡ x ⋅ Z y ⁢ Y ⁡ x ⋅ Z y
67 53 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → X Fn Base Z
68 55 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → Y Fn Base Z
69 fvexd ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → Base Z ∈ V
70 simpr ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → x ∈ Base Z
71 fnfvof ⊢ X Fn Base Z ∧ Y Fn Base Z ∧ Base Z ∈ V ∧ x ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x = X ⁡ x ⁢ Y ⁡ x
72 67 68 69 70 71 syl22anc ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x = X ⁡ x ⁢ Y ⁡ x
73 72 adantrr ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x = X ⁡ x ⁢ Y ⁡ x
74 simprr ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → y ∈ Base Z
75 fnfvof ⊢ X Fn Base Z ∧ Y Fn Base Z ∧ Base Z ∈ V ∧ y ∈ Base Z → X × f Y ⁡ y = X ⁡ y ⁢ Y ⁡ y
76 54 56 57 74 75 syl22anc ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X × f Y ⁡ y = X ⁡ y ⁢ Y ⁡ y
77 73 76 oveq12d ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x ⁢ X × f Y ⁡ y = X ⁡ x ⁢ Y ⁡ x ⁢ X ⁡ y ⁢ Y ⁡ y
78 52 66 77 3eqtr4d ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z ∧ y ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x ⋅ Z y = X × f Y ⁡ x ⁢ X × f Y ⁡ y
79 19 78 sylan2 ⊢ φ ∧ x ∈ Unit ⁡ Z ∧ y ∈ Unit ⁡ Z → X × f Y ⁡ x ⋅ Z y = X × f Y ⁡ x ⁢ X × f Y ⁡ y
80 79 ralrimivva ⊢ φ → ∀ x ∈ Unit ⁡ Z ∀ y ∈ Unit ⁡ Z X × f Y ⁡ x ⋅ Z y = X × f Y ⁡ x ⁢ X × f Y ⁡ y
81 eqid ⊢ 1 Z = 1 Z
82 10 81 ringidcl ⊢ Z ∈ Ring → 1 Z ∈ Base Z
83 61 82 syl ⊢ φ → 1 Z ∈ Base Z
84 fnfvof ⊢ X Fn Base Z ∧ Y Fn Base Z ∧ Base Z ∈ V ∧ 1 Z ∈ Base Z → X × f Y ⁡ 1 Z = X ⁡ 1 Z ⁢ Y ⁡ 1 Z
85 53 55 13 83 84 syl22anc ⊢ φ → X × f Y ⁡ 1 Z = X ⁡ 1 Z ⁢ Y ⁡ 1 Z
86 25 81 ringidval ⊢ 1 Z = 0 mulGrp Z
87 cnfld1 ⊢ 1 = 1 ℂ fld
88 29 87 ringidval ⊢ 1 = 0 mulGrp ℂ fld
89 86 88 mhm0 ⊢ X ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld → X ⁡ 1 Z = 1
90 24 89 syl ⊢ φ → X ⁡ 1 Z = 1
91 86 88 mhm0 ⊢ Y ∈ mulGrp Z MndHom mulGrp ℂ fld → Y ⁡ 1 Z = 1
92 37 91 syl ⊢ φ → Y ⁡ 1 Z = 1
93 90 92 oveq12d ⊢ φ → X ⁡ 1 Z ⁢ Y ⁡ 1 Z = 1 ⋅ 1
94 1t1e1 ⊢ 1 ⋅ 1 = 1
95 93 94 eqtrdi ⊢ φ → X ⁡ 1 Z ⁢ Y ⁡ 1 Z = 1
96 85 95 eqtrd ⊢ φ → X × f Y ⁡ 1 Z = 1
97 72 neeq1d ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x ≠ 0 ↔ X ⁡ x ⁢ Y ⁡ x ≠ 0
98 42 47 mulne0bd ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → X ⁡ x ≠ 0 ∧ Y ⁡ x ≠ 0 ↔ X ⁡ x ⁢ Y ⁡ x ≠ 0
99 97 98 bitr4d ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x ≠ 0 ↔ X ⁡ x ≠ 0 ∧ Y ⁡ x ≠ 0
100 23 simprd ⊢ φ → ∀ x ∈ Base Z X ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
101 100 r19.21bi ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → X ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
102 101 adantrd ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → X ⁡ x ≠ 0 ∧ Y ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
103 99 102 sylbid ⊢ φ ∧ x ∈ Base Z → X × f Y ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
104 103 ralrimiva ⊢ φ → ∀ x ∈ Base Z X × f Y ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
105 80 96 104 3jca ⊢ φ → ∀ x ∈ Unit ⁡ Z ∀ y ∈ Unit ⁡ Z X × f Y ⁡ x ⋅ Z y = X × f Y ⁡ x ⁢ X × f Y ⁡ y ∧ X × f Y ⁡ 1 Z = 1 ∧ ∀ x ∈ Base Z X × f Y ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
106 1 2 10 16 21 3 dchrelbas3 ⊢ φ → X × f Y ∈ D ↔ X × f Y : Base Z ⟶ ℂ ∧ ∀ x ∈ Unit ⁡ Z ∀ y ∈ Unit ⁡ Z X × f Y ⁡ x ⋅ Z y = X × f Y ⁡ x ⁢ X × f Y ⁡ y ∧ X × f Y ⁡ 1 Z = 1 ∧ ∀ x ∈ Base Z X × f Y ⁡ x ≠ 0 → x ∈ Unit ⁡ Z
107 15 105 106 mpbir2and ⊢ φ → X × f Y ∈ D
108 7 107 eqeltrd ⊢ φ → X · ˙ Y ∈ D