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Theorem chordthm

Description: The intersecting chords theorem.

If points A, B, C, and D lie on a circle (with center Q, say), and the point P is on the interior of the segments AB and CD, then the two products of lengths PA x. PB and PC x. PD are equal.

The Euclidean plane is identified with the complex plane, and the fact that P is on AB and on CD is expressed by the hypothesis that the angles APB and CPD are equal to _pi .

The result is proven by using chordthmlem5 twice to show that PA x. PB and PC x. PD both equal BQ2 - PQ2. This is similar to the proof of the theorem given in Euclid's Elements, where it is Proposition III.35. This is Metamath 100 proof #55. (Contributed by David Moews, 28-Feb-2017)

Ref Expression
Hypotheses chordthm.angdef 𝐹 = ( 𝑥 ∈ ( ℂ ∖ { 0 } ) , 𝑦 ∈ ( ℂ ∖ { 0 } ) ↦ ( ℑ ‘ ( log ‘ ( 𝑦 / 𝑥 ) ) ) )
chordthm.A ( 𝜑𝐴 ∈ ℂ )
chordthm.B ( 𝜑𝐵 ∈ ℂ )
chordthm.C ( 𝜑𝐶 ∈ ℂ )
chordthm.D ( 𝜑𝐷 ∈ ℂ )
chordthm.P ( 𝜑𝑃 ∈ ℂ )
chordthm.AneP ( 𝜑𝐴𝑃 )
chordthm.BneP ( 𝜑𝐵𝑃 )
chordthm.CneP ( 𝜑𝐶𝑃 )
chordthm.DneP ( 𝜑𝐷𝑃 )
chordthm.APB ( 𝜑 → ( ( 𝐴𝑃 ) 𝐹 ( 𝐵𝑃 ) ) = π )
chordthm.CPD ( 𝜑 → ( ( 𝐶𝑃 ) 𝐹 ( 𝐷𝑃 ) ) = π )
chordthm.Q ( 𝜑𝑄 ∈ ℂ )
chordthm.ABcirc ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐴𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐵𝑄 ) ) )
chordthm.ACcirc ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐴𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐶𝑄 ) ) )
chordthm.ADcirc ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐴𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐷𝑄 ) ) )
Assertion chordthm ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐴 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐵 ) ) ) = ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐶 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐷 ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 chordthm.angdef 𝐹 = ( 𝑥 ∈ ( ℂ ∖ { 0 } ) , 𝑦 ∈ ( ℂ ∖ { 0 } ) ↦ ( ℑ ‘ ( log ‘ ( 𝑦 / 𝑥 ) ) ) )
2 chordthm.A ( 𝜑𝐴 ∈ ℂ )
3 chordthm.B ( 𝜑𝐵 ∈ ℂ )
4 chordthm.C ( 𝜑𝐶 ∈ ℂ )
5 chordthm.D ( 𝜑𝐷 ∈ ℂ )
6 chordthm.P ( 𝜑𝑃 ∈ ℂ )
7 chordthm.AneP ( 𝜑𝐴𝑃 )
8 chordthm.BneP ( 𝜑𝐵𝑃 )
9 chordthm.CneP ( 𝜑𝐶𝑃 )
10 chordthm.DneP ( 𝜑𝐷𝑃 )
11 chordthm.APB ( 𝜑 → ( ( 𝐴𝑃 ) 𝐹 ( 𝐵𝑃 ) ) = π )
12 chordthm.CPD ( 𝜑 → ( ( 𝐶𝑃 ) 𝐹 ( 𝐷𝑃 ) ) = π )
13 chordthm.Q ( 𝜑𝑄 ∈ ℂ )
14 chordthm.ABcirc ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐴𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐵𝑄 ) ) )
15 chordthm.ACcirc ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐴𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐶𝑄 ) ) )
16 chordthm.ADcirc ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐴𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐷𝑄 ) ) )
17 10 necomd ( 𝜑𝑃𝐷 )
18 1 4 6 5 9 17 angpieqvd ( 𝜑 → ( ( ( 𝐶𝑃 ) 𝐹 ( 𝐷𝑃 ) ) = π ↔ ∃ 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) )
19 12 18 mpbid ( 𝜑 → ∃ 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) )
20 8 necomd ( 𝜑𝑃𝐵 )
21 1 2 6 3 7 20 angpieqvd ( 𝜑 → ( ( ( 𝐴𝑃 ) 𝐹 ( 𝐵𝑃 ) ) = π ↔ ∃ 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) )
22 11 21 mpbid ( 𝜑 → ∃ 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) )
23 22 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) → ∃ 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) )
24 14 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( abs ‘ ( 𝐴𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐵𝑄 ) ) )
25 16 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( abs ‘ ( 𝐴𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐷𝑄 ) ) )
26 24 25 eqtr3d ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( abs ‘ ( 𝐵𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐷𝑄 ) ) )
27 26 oveq1d ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( ( abs ‘ ( 𝐵𝑄 ) ) ↑ 2 ) = ( ( abs ‘ ( 𝐷𝑄 ) ) ↑ 2 ) )
28 27 oveq1d ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( ( ( abs ‘ ( 𝐵𝑄 ) ) ↑ 2 ) − ( ( abs ‘ ( 𝑃𝑄 ) ) ↑ 2 ) ) = ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝑄 ) ) ↑ 2 ) − ( ( abs ‘ ( 𝑃𝑄 ) ) ↑ 2 ) ) )
29 2 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝐴 ∈ ℂ )
30 3 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝐵 ∈ ℂ )
31 13 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝑄 ∈ ℂ )
32 ioossicc ( 0 (,) 1 ) ⊆ ( 0 [,] 1 )
33 simprl ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) )
34 32 33 sselid ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝑤 ∈ ( 0 [,] 1 ) )
35 simprr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) )
36 29 30 31 34 35 24 chordthmlem5 ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐴 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐵 ) ) ) = ( ( ( abs ‘ ( 𝐵𝑄 ) ) ↑ 2 ) − ( ( abs ‘ ( 𝑃𝑄 ) ) ↑ 2 ) ) )
37 4 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝐶 ∈ ℂ )
38 5 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝐷 ∈ ℂ )
39 simplrl ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) )
40 32 39 sselid ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝑣 ∈ ( 0 [,] 1 ) )
41 simplrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) )
42 15 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( abs ‘ ( 𝐴𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐶𝑄 ) ) )
43 42 25 eqtr3d ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( abs ‘ ( 𝐶𝑄 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐷𝑄 ) ) )
44 37 38 31 40 41 43 chordthmlem5 ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐶 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐷 ) ) ) = ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝑄 ) ) ↑ 2 ) − ( ( abs ‘ ( 𝑃𝑄 ) ) ↑ 2 ) ) )
45 28 36 44 3eqtr4d ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) ∧ ( 𝑤 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑤 · 𝐴 ) + ( ( 1 − 𝑤 ) · 𝐵 ) ) ) ) → ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐴 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐵 ) ) ) = ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐶 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐷 ) ) ) )
46 23 45 rexlimddv ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑣 ∈ ( 0 (,) 1 ) ∧ 𝑃 = ( ( 𝑣 · 𝐶 ) + ( ( 1 − 𝑣 ) · 𝐷 ) ) ) ) → ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐴 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐵 ) ) ) = ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐶 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐷 ) ) ) )
47 19 46 rexlimddv ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐴 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐵 ) ) ) = ( ( abs ‘ ( 𝑃𝐶 ) ) · ( abs ‘ ( 𝑃𝐷 ) ) ) )