Metamath Proof Explorer


Theorem xrge0iifhom

Description: The defined function from the closed unit interval to the extended nonnegative reals is a monoid homomorphism. (Contributed by Thierry Arnoux, 5-Apr-2017)

Ref Expression
Hypotheses xrge0iifhmeo.1 ⊢ F = x ∈ 0 1 ⟼ if x = 0 +∞ − log ⁡ x
xrge0iifhmeo.k ⊢ J = ordTop ⁡ ≤ ↾ 𝑡 0 +∞
Assertion xrge0iifhom ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 xrge0iifhmeo.1 ⊢ F = x ∈ 0 1 ⟼ if x = 0 +∞ − log ⁡ x
2 xrge0iifhmeo.k ⊢ J = ordTop ⁡ ≤ ↾ 𝑡 0 +∞
3 0xr ⊢ 0 ∈ ℝ *
4 1xr ⊢ 1 ∈ ℝ *
5 0le1 ⊢ 0 ≤ 1
6 snunioc ⊢ 0 ∈ ℝ * ∧ 1 ∈ ℝ * ∧ 0 ≤ 1 → 0 ∪ 0 1 = 0 1
7 3 4 5 6 mp3an ⊢ 0 ∪ 0 1 = 0 1
8 7 eleq2i ⊢ Y ∈ 0 ∪ 0 1 ↔ Y ∈ 0 1
9 elun ⊢ Y ∈ 0 ∪ 0 1 ↔ Y ∈ 0 ∨ Y ∈ 0 1
10 8 9 bitr3i ⊢ Y ∈ 0 1 ↔ Y ∈ 0 ∨ Y ∈ 0 1
11 elsni ⊢ Y ∈ 0 → Y = 0
12 11 orim1i ⊢ Y ∈ 0 ∨ Y ∈ 0 1 → Y = 0 ∨ Y ∈ 0 1
13 10 12 sylbi ⊢ Y ∈ 0 1 → Y = 0 ∨ Y ∈ 0 1
14 0elunit ⊢ 0 ∈ 0 1
15 iftrue ⊢ x = 0 → if x = 0 +∞ − log ⁡ x = +∞
16 pnfex ⊢ +∞ ∈ V
17 15 1 16 fvmpt ⊢ 0 ∈ 0 1 → F ⁡ 0 = +∞
18 14 17 ax-mp ⊢ F ⁡ 0 = +∞
19 18 oveq2i ⊢ F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ 0 = F ⁡ X + 𝑒 +∞
20 eqeq1 ⊢ x = X → x = 0 ↔ X = 0
21 fveq2 ⊢ x = X → log ⁡ x = log ⁡ X
22 21 negeqd ⊢ x = X → − log ⁡ x = − log ⁡ X
23 20 22 ifbieq2d ⊢ x = X → if x = 0 +∞ − log ⁡ x = if X = 0 +∞ − log ⁡ X
24 negex ⊢ − log ⁡ X ∈ V
25 16 24 ifex ⊢ if X = 0 +∞ − log ⁡ X ∈ V
26 23 1 25 fvmpt ⊢ X ∈ 0 1 → F ⁡ X = if X = 0 +∞ − log ⁡ X
27 pnfxr ⊢ +∞ ∈ ℝ *
28 27 a1i ⊢ X ∈ 0 1 ∧ X = 0 → +∞ ∈ ℝ *
29 elunitrn ⊢ X ∈ 0 1 → X ∈ ℝ
30 29 adantr ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → X ∈ ℝ
31 elunitge0 ⊢ X ∈ 0 1 → 0 ≤ X
32 31 adantr ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → 0 ≤ X
33 simpr ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → ¬ X = 0
34 33 neqned ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → X ≠ 0
35 30 32 34 ne0gt0d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → 0 < X
36 30 35 elrpd ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → X ∈ ℝ +
37 36 relogcld ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → log ⁡ X ∈ ℝ
38 37 renegcld ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → − log ⁡ X ∈ ℝ
39 38 rexrd ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → − log ⁡ X ∈ ℝ *
40 28 39 ifclda ⊢ X ∈ 0 1 → if X = 0 +∞ − log ⁡ X ∈ ℝ *
41 26 40 eqeltrd ⊢ X ∈ 0 1 → F ⁡ X ∈ ℝ *
42 41 adantr ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X ∈ ℝ *
43 neeq1 ⊢ +∞ = if X = 0 +∞ − log ⁡ X → +∞ ≠ −∞ ↔ if X = 0 +∞ − log ⁡ X ≠ −∞
44 neeq1 ⊢ − log ⁡ X = if X = 0 +∞ − log ⁡ X → − log ⁡ X ≠ −∞ ↔ if X = 0 +∞ − log ⁡ X ≠ −∞
45 pnfnemnf ⊢ +∞ ≠ −∞
46 45 a1i ⊢ X ∈ 0 1 ∧ X = 0 → +∞ ≠ −∞
47 38 renemnfd ⊢ X ∈ 0 1 ∧ ¬ X = 0 → − log ⁡ X ≠ −∞
48 43 44 46 47 ifbothda ⊢ X ∈ 0 1 → if X = 0 +∞ − log ⁡ X ≠ −∞
49 26 48 eqnetrd ⊢ X ∈ 0 1 → F ⁡ X ≠ −∞
50 49 adantr ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X ≠ −∞
51 xaddpnf1 ⊢ F ⁡ X ∈ ℝ * ∧ F ⁡ X ≠ −∞ → F ⁡ X + 𝑒 +∞ = +∞
52 42 50 51 syl2anc ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X + 𝑒 +∞ = +∞
53 19 52 eqtrid ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ 0 = +∞
54 unitsscn ⊢ 0 1 ⊆ ℂ
55 simpl ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → X ∈ 0 1
56 54 55 sselid ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → X ∈ ℂ
57 56 mul01d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → X ⋅ 0 = 0
58 57 fveq2d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X ⋅ 0 = F ⁡ 0
59 58 18 eqtrdi ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X ⋅ 0 = +∞
60 53 59 eqtr4d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ 0 = F ⁡ X ⋅ 0
61 simpr ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → Y = 0
62 61 fveq2d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ Y = F ⁡ 0
63 62 oveq2d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y = F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ 0
64 61 oveq2d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → X ⁢ Y = X ⋅ 0
65 64 fveq2d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ X ⋅ 0
66 60 63 65 3eqtr4rd ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y
67 7 eleq2i ⊢ X ∈ 0 ∪ 0 1 ↔ X ∈ 0 1
68 elun ⊢ X ∈ 0 ∪ 0 1 ↔ X ∈ 0 ∨ X ∈ 0 1
69 67 68 bitr3i ⊢ X ∈ 0 1 ↔ X ∈ 0 ∨ X ∈ 0 1
70 elsni ⊢ X ∈ 0 → X = 0
71 70 orim1i ⊢ X ∈ 0 ∨ X ∈ 0 1 → X = 0 ∨ X ∈ 0 1
72 69 71 sylbi ⊢ X ∈ 0 1 → X = 0 ∨ X ∈ 0 1
73 18 oveq1i ⊢ F ⁡ 0 + 𝑒 F ⁡ Y = +∞ + 𝑒 F ⁡ Y
74 simpr ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → Y ∈ 0 1
75 1 xrge0iifcv ⊢ Y ∈ 0 1 → F ⁡ Y = − log ⁡ Y
76 0le0 ⊢ 0 ≤ 0
77 1re ⊢ 1 ∈ ℝ
78 ltpnf ⊢ 1 ∈ ℝ → 1 < +∞
79 77 78 ax-mp ⊢ 1 < +∞
80 iocssioo ⊢ 0 ∈ ℝ * ∧ +∞ ∈ ℝ * ∧ 0 ≤ 0 ∧ 1 < +∞ → 0 1 ⊆ 0 +∞
81 3 27 76 79 80 mp4an ⊢ 0 1 ⊆ 0 +∞
82 ioorp ⊢ 0 +∞ = ℝ +
83 81 82 sseqtri ⊢ 0 1 ⊆ ℝ +
84 83 sseli ⊢ Y ∈ 0 1 → Y ∈ ℝ +
85 84 relogcld ⊢ Y ∈ 0 1 → log ⁡ Y ∈ ℝ
86 85 renegcld ⊢ Y ∈ 0 1 → − log ⁡ Y ∈ ℝ
87 75 86 eqeltrd ⊢ Y ∈ 0 1 → F ⁡ Y ∈ ℝ
88 87 rexrd ⊢ Y ∈ 0 1 → F ⁡ Y ∈ ℝ *
89 74 88 syl ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ Y ∈ ℝ *
90 87 renemnfd ⊢ Y ∈ 0 1 → F ⁡ Y ≠ −∞
91 74 90 syl ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ Y ≠ −∞
92 xaddpnf2 ⊢ F ⁡ Y ∈ ℝ * ∧ F ⁡ Y ≠ −∞ → +∞ + 𝑒 F ⁡ Y = +∞
93 89 91 92 syl2anc ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → +∞ + 𝑒 F ⁡ Y = +∞
94 73 93 eqtrid ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ 0 + 𝑒 F ⁡ Y = +∞
95 rpssre ⊢ ℝ + ⊆ ℝ
96 83 95 sstri ⊢ 0 1 ⊆ ℝ
97 ax-resscn ⊢ ℝ ⊆ ℂ
98 96 97 sstri ⊢ 0 1 ⊆ ℂ
99 98 74 sselid ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → Y ∈ ℂ
100 99 mul02d ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → 0 ⋅ Y = 0
101 100 fveq2d ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ 0 ⋅ Y = F ⁡ 0
102 101 18 eqtrdi ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ 0 ⋅ Y = +∞
103 94 102 eqtr4d ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ 0 + 𝑒 F ⁡ Y = F ⁡ 0 ⋅ Y
104 simpl ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → X = 0
105 104 fveq2d ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X = F ⁡ 0
106 105 oveq1d ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y = F ⁡ 0 + 𝑒 F ⁡ Y
107 104 fvoveq1d ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ 0 ⋅ Y
108 103 106 107 3eqtr4rd ⊢ X = 0 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y
109 simpl ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → X ∈ 0 1
110 83 109 sselid ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → X ∈ ℝ +
111 110 relogcld ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → log ⁡ X ∈ ℝ
112 111 renegcld ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → − log ⁡ X ∈ ℝ
113 simpr ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → Y ∈ 0 1
114 83 113 sselid ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → Y ∈ ℝ +
115 114 relogcld ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → log ⁡ Y ∈ ℝ
116 115 renegcld ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → − log ⁡ Y ∈ ℝ
117 rexadd ⊢ − log ⁡ X ∈ ℝ ∧ − log ⁡ Y ∈ ℝ → − log ⁡ X + 𝑒 − log ⁡ Y = - log ⁡ X + − log ⁡ Y
118 112 116 117 syl2anc ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → − log ⁡ X + 𝑒 − log ⁡ Y = - log ⁡ X + − log ⁡ Y
119 1 xrge0iifcv ⊢ X ∈ 0 1 → F ⁡ X = − log ⁡ X
120 119 75 oveqan12d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y = − log ⁡ X + 𝑒 − log ⁡ Y
121 110 rpred ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → X ∈ ℝ
122 114 rpred ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → Y ∈ ℝ
123 121 122 remulcld ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → X ⁢ Y ∈ ℝ
124 110 rpgt0d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → 0 < X
125 114 rpgt0d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → 0 < Y
126 121 122 124 125 mulgt0d ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → 0 < X ⁢ Y
127 iocssicc ⊢ 0 1 ⊆ 0 1
128 127 109 sselid ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → X ∈ 0 1
129 127 113 sselid ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → Y ∈ 0 1
130 iimulcl ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → X ⁢ Y ∈ 0 1
131 128 129 130 syl2anc ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → X ⁢ Y ∈ 0 1
132 elicc01 ⊢ X ⁢ Y ∈ 0 1 ↔ X ⁢ Y ∈ ℝ ∧ 0 ≤ X ⁢ Y ∧ X ⁢ Y ≤ 1
133 132 simp3bi ⊢ X ⁢ Y ∈ 0 1 → X ⁢ Y ≤ 1
134 131 133 syl ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → X ⁢ Y ≤ 1
135 elioc2 ⊢ 0 ∈ ℝ * ∧ 1 ∈ ℝ → X ⁢ Y ∈ 0 1 ↔ X ⁢ Y ∈ ℝ ∧ 0 < X ⁢ Y ∧ X ⁢ Y ≤ 1
136 3 77 135 mp2an ⊢ X ⁢ Y ∈ 0 1 ↔ X ⁢ Y ∈ ℝ ∧ 0 < X ⁢ Y ∧ X ⁢ Y ≤ 1
137 123 126 134 136 syl3anbrc ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → X ⁢ Y ∈ 0 1
138 1 xrge0iifcv ⊢ X ⁢ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = − log ⁡ X ⁢ Y
139 137 138 syl ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = − log ⁡ X ⁢ Y
140 110 114 relogmuld ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → log ⁡ X ⁢ Y = log ⁡ X + log ⁡ Y
141 140 negeqd ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → − log ⁡ X ⁢ Y = − log ⁡ X + log ⁡ Y
142 111 recnd ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → log ⁡ X ∈ ℂ
143 115 recnd ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → log ⁡ Y ∈ ℂ
144 142 143 negdid ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → − log ⁡ X + log ⁡ Y = - log ⁡ X + − log ⁡ Y
145 139 141 144 3eqtrd ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = - log ⁡ X + − log ⁡ Y
146 118 120 145 3eqtr4rd ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y
147 108 146 jaoian ⊢ X = 0 ∨ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y
148 72 147 sylan ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y
149 66 148 jaodan ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y = 0 ∨ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y
150 13 149 sylan2 ⊢ X ∈ 0 1 ∧ Y ∈ 0 1 → F ⁡ X ⁢ Y = F ⁡ X + 𝑒 F ⁡ Y