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Theorem ssscongptld

Description: If two triangles have equal sides, one angle in one triangle has the same cosine as the corresponding angle in the other triangle. This is a partial form of the SSS congruence theorem.

This theorem is proven by using lawcos on both triangles to express one side in terms of the other two, and then equating these expressions and reducing this algebraically to get an equality of cosines of angles. (Contributed by David Moews, 28-Feb-2017)

Ref Expression
Hypotheses ssscongptld.angdef 𝐹 = ( 𝑥 ∈ ( ℂ ∖ { 0 } ) , 𝑦 ∈ ( ℂ ∖ { 0 } ) ↦ ( ℑ ‘ ( log ‘ ( 𝑦 / 𝑥 ) ) ) )
ssscongptld.1 ( 𝜑𝐴 ∈ ℂ )
ssscongptld.2 ( 𝜑𝐵 ∈ ℂ )
ssscongptld.3 ( 𝜑𝐶 ∈ ℂ )
ssscongptld.4 ( 𝜑𝐷 ∈ ℂ )
ssscongptld.5 ( 𝜑𝐸 ∈ ℂ )
ssscongptld.6 ( 𝜑𝐺 ∈ ℂ )
ssscongptld.7 ( 𝜑𝐴𝐵 )
ssscongptld.8 ( 𝜑𝐵𝐶 )
ssscongptld.9 ( 𝜑𝐷𝐸 )
ssscongptld.10 ( 𝜑𝐸𝐺 )
ssscongptld.11 ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) )
ssscongptld.12 ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐵𝐶 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐸𝐺 ) ) )
ssscongptld.13 ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐶𝐴 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐺𝐷 ) ) )
Assertion ssscongptld ( 𝜑 → ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) = ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ssscongptld.angdef 𝐹 = ( 𝑥 ∈ ( ℂ ∖ { 0 } ) , 𝑦 ∈ ( ℂ ∖ { 0 } ) ↦ ( ℑ ‘ ( log ‘ ( 𝑦 / 𝑥 ) ) ) )
2 ssscongptld.1 ( 𝜑𝐴 ∈ ℂ )
3 ssscongptld.2 ( 𝜑𝐵 ∈ ℂ )
4 ssscongptld.3 ( 𝜑𝐶 ∈ ℂ )
5 ssscongptld.4 ( 𝜑𝐷 ∈ ℂ )
6 ssscongptld.5 ( 𝜑𝐸 ∈ ℂ )
7 ssscongptld.6 ( 𝜑𝐺 ∈ ℂ )
8 ssscongptld.7 ( 𝜑𝐴𝐵 )
9 ssscongptld.8 ( 𝜑𝐵𝐶 )
10 ssscongptld.9 ( 𝜑𝐷𝐸 )
11 ssscongptld.10 ( 𝜑𝐸𝐺 )
12 ssscongptld.11 ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) )
13 ssscongptld.12 ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐵𝐶 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐸𝐺 ) ) )
14 ssscongptld.13 ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐶𝐴 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐺𝐷 ) ) )
15 negpitopissre ( - π (,] π ) ⊆ ℝ
16 ax-resscn ℝ ⊆ ℂ
17 15 16 sstri ( - π (,] π ) ⊆ ℂ
18 2 3 subcld ( 𝜑 → ( 𝐴𝐵 ) ∈ ℂ )
19 2 3 8 subne0d ( 𝜑 → ( 𝐴𝐵 ) ≠ 0 )
20 4 3 subcld ( 𝜑 → ( 𝐶𝐵 ) ∈ ℂ )
21 9 necomd ( 𝜑𝐶𝐵 )
22 4 3 21 subne0d ( 𝜑 → ( 𝐶𝐵 ) ≠ 0 )
23 1 18 19 20 22 angcld ( 𝜑 → ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ∈ ( - π (,] π ) )
24 17 23 sselid ( 𝜑 → ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ∈ ℂ )
25 24 coscld ( 𝜑 → ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ∈ ℂ )
26 5 6 subcld ( 𝜑 → ( 𝐷𝐸 ) ∈ ℂ )
27 5 6 10 subne0d ( 𝜑 → ( 𝐷𝐸 ) ≠ 0 )
28 7 6 subcld ( 𝜑 → ( 𝐺𝐸 ) ∈ ℂ )
29 11 necomd ( 𝜑𝐺𝐸 )
30 7 6 29 subne0d ( 𝜑 → ( 𝐺𝐸 ) ≠ 0 )
31 1 26 27 28 30 angcld ( 𝜑 → ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ∈ ( - π (,] π ) )
32 17 31 sselid ( 𝜑 → ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ∈ ℂ )
33 32 coscld ( 𝜑 → ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ∈ ℂ )
34 26 abscld ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ∈ ℝ )
35 34 recnd ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ∈ ℂ )
36 28 abscld ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ∈ ℝ )
37 36 recnd ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ∈ ℂ )
38 35 37 mulcld ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) ∈ ℂ )
39 26 27 absne0d ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ≠ 0 )
40 28 30 absne0d ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ≠ 0 )
41 35 37 39 40 mulne0d ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) ≠ 0 )
42 4 3 abssubd ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐵𝐶 ) ) )
43 7 6 abssubd ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐸𝐺 ) ) )
44 13 42 43 3eqtr4d ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) )
45 12 44 oveq12d ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) = ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) )
46 45 oveq1d ( 𝜑 → ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) = ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) )
47 12 35 eqeltrd ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) ∈ ℂ )
48 44 37 eqeltrd ( 𝜑 → ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ∈ ℂ )
49 47 48 mulcld ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) ∈ ℂ )
50 49 25 mulcld ( 𝜑 → ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) ∈ ℂ )
51 38 33 mulcld ( 𝜑 → ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ) ∈ ℂ )
52 2cnd ( 𝜑 → 2 ∈ ℂ )
53 2ne0 2 ≠ 0
54 53 a1i ( 𝜑 → 2 ≠ 0 )
55 35 sqcld ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) ∈ ℂ )
56 37 sqcld ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) ∈ ℂ )
57 55 56 addcld ( 𝜑 → ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) ) ∈ ℂ )
58 52 50 mulcld ( 𝜑 → ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) ) ∈ ℂ )
59 52 51 mulcld ( 𝜑 → ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ) ) ∈ ℂ )
60 12 oveq1d ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) ↑ 2 ) = ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) )
61 44 oveq1d ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ↑ 2 ) = ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) )
62 60 61 oveq12d ( 𝜑 → ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ↑ 2 ) ) = ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) ) )
63 62 oveq1d ( 𝜑 → ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) ) ) = ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) ) ) )
64 14 oveq1d ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐶𝐴 ) ) ↑ 2 ) = ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐷 ) ) ↑ 2 ) )
65 eqid ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) )
66 eqid ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) )
67 eqid ( abs ‘ ( 𝐶𝐴 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐶𝐴 ) )
68 eqid ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) = ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) )
69 1 65 66 67 68 lawcos ( ( ( 𝐶 ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝐵 ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐶𝐵𝐴𝐵 ) ) → ( ( abs ‘ ( 𝐶𝐴 ) ) ↑ 2 ) = ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) ) ) )
70 4 2 3 21 8 69 syl32anc ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐶𝐴 ) ) ↑ 2 ) = ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) ) ) )
71 eqid ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) )
72 eqid ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) )
73 eqid ( abs ‘ ( 𝐺𝐷 ) ) = ( abs ‘ ( 𝐺𝐷 ) )
74 eqid ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) = ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) )
75 1 71 72 73 74 lawcos ( ( ( 𝐺 ∈ ℂ ∧ 𝐷 ∈ ℂ ∧ 𝐸 ∈ ℂ ) ∧ ( 𝐺𝐸𝐷𝐸 ) ) → ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐷 ) ) ↑ 2 ) = ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ) ) ) )
76 7 5 6 29 10 75 syl32anc ( 𝜑 → ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐷 ) ) ↑ 2 ) = ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ) ) ) )
77 64 70 76 3eqtr3d ( 𝜑 → ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) ) ) = ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ) ) ) )
78 63 77 eqtr3d ( 𝜑 → ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) ) ) = ( ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) ↑ 2 ) + ( ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ↑ 2 ) ) − ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ) ) ) )
79 57 58 59 78 subcand ( 𝜑 → ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) ) = ( 2 · ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ) ) )
80 50 51 52 54 79 mulcanad ( 𝜑 → ( ( ( abs ‘ ( 𝐴𝐵 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐶𝐵 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) = ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ) )
81 46 80 eqtr3d ( 𝜑 → ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) ) = ( ( ( abs ‘ ( 𝐷𝐸 ) ) · ( abs ‘ ( 𝐺𝐸 ) ) ) · ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) ) )
82 25 33 38 41 81 mulcanad ( 𝜑 → ( cos ‘ ( ( 𝐴𝐵 ) 𝐹 ( 𝐶𝐵 ) ) ) = ( cos ‘ ( ( 𝐷𝐸 ) 𝐹 ( 𝐺𝐸 ) ) ) )