Metamath Proof Explorer


Theorem 1cubr

Description: The cube roots of unity. (Contributed by Mario Carneiro, 23-Apr-2015)

Ref Expression
Hypothesis 1cubr.r โŠข ๐‘… = { 1 , ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) , ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) }
Assertion 1cubr ( ๐ด โˆˆ ๐‘… โ†” ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ด โ†‘ 3 ) = 1 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 1cubr.r โŠข ๐‘… = { 1 , ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) , ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) }
2 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
3 neg1cn โŠข - 1 โˆˆ โ„‚
4 ax-icn โŠข i โˆˆ โ„‚
5 3cn โŠข 3 โˆˆ โ„‚
6 sqrtcl โŠข ( 3 โˆˆ โ„‚ โ†’ ( โˆš โ€˜ 3 ) โˆˆ โ„‚ )
7 5 6 ax-mp โŠข ( โˆš โ€˜ 3 ) โˆˆ โ„‚
8 4 7 mulcli โŠข ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) โˆˆ โ„‚
9 3 8 addcli โŠข ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) โˆˆ โ„‚
10 halfcl โŠข ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ โ„‚ )
11 9 10 ax-mp โŠข ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ โ„‚
12 3 8 subcli โŠข ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) โˆˆ โ„‚
13 halfcl โŠข ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ โ„‚ )
14 12 13 ax-mp โŠข ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ โ„‚
15 2 11 14 3pm3.2i โŠข ( 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ โ„‚ )
16 2 elexi โŠข 1 โˆˆ V
17 ovex โŠข ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ V
18 ovex โŠข ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ V
19 16 17 18 tpss โŠข ( ( 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆˆ โ„‚ ) โ†” { 1 , ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) , ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) } โŠ† โ„‚ )
20 15 19 mpbi โŠข { 1 , ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) , ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) } โŠ† โ„‚
21 1 20 eqsstri โŠข ๐‘… โŠ† โ„‚
22 21 sseli โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐‘… โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
23 22 pm4.71ri โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐‘… โ†” ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘… ) )
24 3nn โŠข 3 โˆˆ โ„•
25 cxpeq โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง 3 โˆˆ โ„• โˆง 1 โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 3 ) = 1 โ†” โˆƒ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ( 3 โˆ’ 1 ) ) ๐ด = ( ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) )
26 24 2 25 mp3an23 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 3 ) = 1 โ†” โˆƒ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ( 3 โˆ’ 1 ) ) ๐ด = ( ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) )
27 eltpg โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด โˆˆ { 1 , ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) , ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) } โ†” ( ๐ด = 1 โˆจ ๐ด = ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆจ ๐ด = ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) ) ) )
28 1 eleq2i โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐‘… โ†” ๐ด โˆˆ { 1 , ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) , ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) } )
29 3m1e2 โŠข ( 3 โˆ’ 1 ) = 2
30 2cn โŠข 2 โˆˆ โ„‚
31 30 addlidi โŠข ( 0 + 2 ) = 2
32 29 31 eqtr4i โŠข ( 3 โˆ’ 1 ) = ( 0 + 2 )
33 32 oveq2i โŠข ( 0 ... ( 3 โˆ’ 1 ) ) = ( 0 ... ( 0 + 2 ) )
34 0z โŠข 0 โˆˆ โ„ค
35 fztp โŠข ( 0 โˆˆ โ„ค โ†’ ( 0 ... ( 0 + 2 ) ) = { 0 , ( 0 + 1 ) , ( 0 + 2 ) } )
36 34 35 ax-mp โŠข ( 0 ... ( 0 + 2 ) ) = { 0 , ( 0 + 1 ) , ( 0 + 2 ) }
37 33 36 eqtri โŠข ( 0 ... ( 3 โˆ’ 1 ) ) = { 0 , ( 0 + 1 ) , ( 0 + 2 ) }
38 37 rexeqi โŠข ( โˆƒ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ( 3 โˆ’ 1 ) ) ๐ด = ( ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) โ†” โˆƒ ๐‘› โˆˆ { 0 , ( 0 + 1 ) , ( 0 + 2 ) } ๐ด = ( ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
39 3ne0 โŠข 3 โ‰  0
40 5 39 reccli โŠข ( 1 / 3 ) โˆˆ โ„‚
41 1cxp โŠข ( ( 1 / 3 ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) = 1 )
42 40 41 ax-mp โŠข ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) = 1
43 42 oveq1i โŠข ( ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) = ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) )
44 43 eqeq2i โŠข ( ๐ด = ( ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) โ†” ๐ด = ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
45 44 rexbii โŠข ( โˆƒ ๐‘› โˆˆ { 0 , ( 0 + 1 ) , ( 0 + 2 ) } ๐ด = ( ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) โ†” โˆƒ ๐‘› โˆˆ { 0 , ( 0 + 1 ) , ( 0 + 2 ) } ๐ด = ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) )
46 34 elexi โŠข 0 โˆˆ V
47 ovex โŠข ( 0 + 1 ) โˆˆ V
48 ovex โŠข ( 0 + 2 ) โˆˆ V
49 oveq2 โŠข ( ๐‘› = 0 โ†’ ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) = ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 0 ) )
50 30 5 39 divcli โŠข ( 2 / 3 ) โˆˆ โ„‚
51 cxpcl โŠข ( ( - 1 โˆˆ โ„‚ โˆง ( 2 / 3 ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โˆˆ โ„‚ )
52 3 50 51 mp2an โŠข ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โˆˆ โ„‚
53 exp0 โŠข ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 0 ) = 1 )
54 52 53 ax-mp โŠข ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 0 ) = 1
55 49 54 eqtrdi โŠข ( ๐‘› = 0 โ†’ ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) = 1 )
56 55 oveq2d โŠข ( ๐‘› = 0 โ†’ ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) = ( 1 ยท 1 ) )
57 1t1e1 โŠข ( 1 ยท 1 ) = 1
58 56 57 eqtrdi โŠข ( ๐‘› = 0 โ†’ ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) = 1 )
59 58 eqeq2d โŠข ( ๐‘› = 0 โ†’ ( ๐ด = ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) โ†” ๐ด = 1 ) )
60 id โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 1 ) โ†’ ๐‘› = ( 0 + 1 ) )
61 2 addlidi โŠข ( 0 + 1 ) = 1
62 60 61 eqtrdi โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 1 ) โ†’ ๐‘› = 1 )
63 62 oveq2d โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 1 ) โ†’ ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) = ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 1 ) )
64 exp1 โŠข ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 1 ) = ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) )
65 52 64 ax-mp โŠข ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 1 ) = ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) )
66 63 65 eqtrdi โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 1 ) โ†’ ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) = ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) )
67 66 oveq2d โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 1 ) โ†’ ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) = ( 1 ยท ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) ) )
68 52 mullidi โŠข ( 1 ยท ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) ) = ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) )
69 1cubrlem โŠข ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) = ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆง ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 2 ) = ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) )
70 69 simpli โŠข ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) = ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 )
71 68 70 eqtri โŠข ( 1 ยท ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) ) = ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 )
72 67 71 eqtrdi โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 1 ) โ†’ ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) = ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) )
73 72 eqeq2d โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 1 ) โ†’ ( ๐ด = ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) โ†” ๐ด = ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) ) )
74 id โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 2 ) โ†’ ๐‘› = ( 0 + 2 ) )
75 74 31 eqtrdi โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 2 ) โ†’ ๐‘› = 2 )
76 75 oveq2d โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 2 ) โ†’ ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) = ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 2 ) )
77 76 oveq2d โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 2 ) โ†’ ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) = ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 2 ) ) )
78 52 sqcli โŠข ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„‚
79 78 mullidi โŠข ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 2 ) ) = ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 2 )
80 69 simpri โŠข ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 2 ) = ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 )
81 79 80 eqtri โŠข ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ 2 ) ) = ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 )
82 77 81 eqtrdi โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 2 ) โ†’ ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) = ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) )
83 82 eqeq2d โŠข ( ๐‘› = ( 0 + 2 ) โ†’ ( ๐ด = ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) โ†” ๐ด = ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) ) )
84 46 47 48 59 73 83 rextp โŠข ( โˆƒ ๐‘› โˆˆ { 0 , ( 0 + 1 ) , ( 0 + 2 ) } ๐ด = ( 1 ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) โ†” ( ๐ด = 1 โˆจ ๐ด = ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆจ ๐ด = ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) ) )
85 38 45 84 3bitri โŠข ( โˆƒ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ( 3 โˆ’ 1 ) ) ๐ด = ( ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) โ†” ( ๐ด = 1 โˆจ ๐ด = ( ( - 1 + ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) โˆจ ๐ด = ( ( - 1 โˆ’ ( i ยท ( โˆš โ€˜ 3 ) ) ) / 2 ) ) )
86 27 28 85 3bitr4g โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐ด โˆˆ ๐‘… โ†” โˆƒ ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ( 3 โˆ’ 1 ) ) ๐ด = ( ( 1 โ†‘๐‘ ( 1 / 3 ) ) ยท ( ( - 1 โ†‘๐‘ ( 2 / 3 ) ) โ†‘ ๐‘› ) ) ) )
87 26 86 bitr4d โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 3 ) = 1 โ†” ๐ด โˆˆ ๐‘… ) )
88 87 pm5.32i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ด โ†‘ 3 ) = 1 ) โ†” ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘… ) )
89 23 88 bitr4i โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐‘… โ†” ( ๐ด โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐ด โ†‘ 3 ) = 1 ) )