Metamath Proof Explorer < Previous   Next > Nearby theorems Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  efi4p Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem efi4p 14987
 Description: Separate out the first four terms of the infinite series expansion of the exponential function of an imaginary number. (Contributed by Paul Chapman, 19-Jan-2008.) (Revised by Mario Carneiro, 30-Apr-2014.)
Hypothesis
Ref Expression
efi4p.1 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (((i · 𝐴)↑𝑛) / (!‘𝑛)))
Assertion
Ref Expression
efi4p (𝐴 ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = (((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))) + Σ𝑘 ∈ (ℤ‘4)(𝐹𝑘)))
Distinct variable groups:   𝐴,𝑘,𝑛   𝑘,𝐹
Allowed substitution hint:   𝐹(𝑛)

Proof of Theorem efi4p
StepHypRef Expression
1 ax-icn 10108 . . . 4 i ∈ ℂ
2 mulcl 10133 . . . 4 ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ) → (i · 𝐴) ∈ ℂ)
31, 2mpan 708 . . 3 (𝐴 ∈ ℂ → (i · 𝐴) ∈ ℂ)
4 efi4p.1 . . . 4 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (((i · 𝐴)↑𝑛) / (!‘𝑛)))
54ef4p 14963 . . 3 ((i · 𝐴) ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = ((((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ‘4)(𝐹𝑘)))
63, 5syl 17 . 2 (𝐴 ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = ((((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ‘4)(𝐹𝑘)))
7 ax-1cn 10107 . . . . . 6 1 ∈ ℂ
8 addcl 10131 . . . . . 6 ((1 ∈ ℂ ∧ (i · 𝐴) ∈ ℂ) → (1 + (i · 𝐴)) ∈ ℂ)
97, 3, 8sylancr 698 . . . . 5 (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (i · 𝐴)) ∈ ℂ)
103sqcld 13121 . . . . . 6 (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) ∈ ℂ)
1110halfcld 11390 . . . . 5 (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) ∈ ℂ)
12 3nn0 11423 . . . . . . 7 3 ∈ ℕ0
13 expcl 12993 . . . . . . 7 (((i · 𝐴) ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ)
143, 12, 13sylancl 697 . . . . . 6 (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ)
15 6cn 11215 . . . . . . 7 6 ∈ ℂ
16 6re 11214 . . . . . . . 8 6 ∈ ℝ
17 6pos 11232 . . . . . . . 8 0 < 6
1816, 17gt0ne0ii 10677 . . . . . . 7 6 ≠ 0
19 divcl 10804 . . . . . . 7 ((((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0) → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
2015, 18, 19mp3an23 1529 . . . . . 6 (((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
2114, 20syl 17 . . . . 5 (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
229, 11, 21addassd 10175 . . . 4 (𝐴 ∈ ℂ → (((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((1 + (i · 𝐴)) + ((((i · 𝐴)↑2) / 2) + (((i · 𝐴)↑3) / 6))))
237a1i 11 . . . . 5 (𝐴 ∈ ℂ → 1 ∈ ℂ)
2423, 3, 11, 21add4d 10377 . . . 4 (𝐴 ∈ ℂ → ((1 + (i · 𝐴)) + ((((i · 𝐴)↑2) / 2) + (((i · 𝐴)↑3) / 6))) = ((1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6))))
25 2nn0 11422 . . . . . . . . . . 11 2 ∈ ℕ0
26 mulexp 13014 . . . . . . . . . . 11 ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
271, 25, 26mp3an13 1528 . . . . . . . . . 10 (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
28 i2 13080 . . . . . . . . . . . 12 (i↑2) = -1
2928oveq1i 6775 . . . . . . . . . . 11 ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2))
3029a1i 11 . . . . . . . . . 10 (𝐴 ∈ ℂ → ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2)))
31 sqcl 13040 . . . . . . . . . . 11 (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑2) ∈ ℂ)
3231mulm1d 10595 . . . . . . . . . 10 (𝐴 ∈ ℂ → (-1 · (𝐴↑2)) = -(𝐴↑2))
3327, 30, 323eqtrd 2762 . . . . . . . . 9 (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = -(𝐴↑2))
3433oveq1d 6780 . . . . . . . 8 (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
35 2cn 11204 . . . . . . . . . 10 2 ∈ ℂ
36 2ne0 11226 . . . . . . . . . 10 2 ≠ 0
37 divneg 10832 . . . . . . . . . 10 (((𝐴↑2) ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ ∧ 2 ≠ 0) → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
3835, 36, 37mp3an23 1529 . . . . . . . . 9 ((𝐴↑2) ∈ ℂ → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
3931, 38syl 17 . . . . . . . 8 (𝐴 ∈ ℂ → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
4034, 39eqtr4d 2761 . . . . . . 7 (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = -((𝐴↑2) / 2))
4140oveq2d 6781 . . . . . 6 (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 + -((𝐴↑2) / 2)))
4231halfcld 11390 . . . . . . 7 (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑2) / 2) ∈ ℂ)
43 negsub 10442 . . . . . . 7 ((1 ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑2) / 2) ∈ ℂ) → (1 + -((𝐴↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
447, 42, 43sylancr 698 . . . . . 6 (𝐴 ∈ ℂ → (1 + -((𝐴↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
4541, 44eqtrd 2758 . . . . 5 (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
46 mulexp 13014 . . . . . . . . . . 11 ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
471, 12, 46mp3an13 1528 . . . . . . . . . 10 (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
48 i3 13081 . . . . . . . . . . 11 (i↑3) = -i
4948oveq1i 6775 . . . . . . . . . 10 ((i↑3) · (𝐴↑3)) = (-i · (𝐴↑3))
5047, 49syl6eq 2774 . . . . . . . . 9 (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = (-i · (𝐴↑3)))
5150oveq1d 6780 . . . . . . . 8 (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = ((-i · (𝐴↑3)) / 6))
52 expcl 12993 . . . . . . . . . 10 ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
5312, 52mpan2 709 . . . . . . . . 9 (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
54 negicn 10395 . . . . . . . . . 10 -i ∈ ℂ
5515, 18pm3.2i 470 . . . . . . . . . 10 (6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0)
56 divass 10816 . . . . . . . . . 10 ((-i ∈ ℂ ∧ (𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ (6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0)) → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
5754, 55, 56mp3an13 1528 . . . . . . . . 9 ((𝐴↑3) ∈ ℂ → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
5853, 57syl 17 . . . . . . . 8 (𝐴 ∈ ℂ → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
59 divcl 10804 . . . . . . . . . . 11 (((𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0) → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
6015, 18, 59mp3an23 1529 . . . . . . . . . 10 ((𝐴↑3) ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
6153, 60syl 17 . . . . . . . . 9 (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
62 mulneg12 10581 . . . . . . . . 9 ((i ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (-i · ((𝐴↑3) / 6)) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
631, 61, 62sylancr 698 . . . . . . . 8 (𝐴 ∈ ℂ → (-i · ((𝐴↑3) / 6)) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
6451, 58, 633eqtrd 2762 . . . . . . 7 (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
6564oveq2d 6781 . . . . . 6 (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
6661negcld 10492 . . . . . . 7 (𝐴 ∈ ℂ → -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
67 adddi 10138 . . . . . . . 8 ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
681, 67mp3an1 1524 . . . . . . 7 ((𝐴 ∈ ℂ ∧ -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
6966, 68mpdan 705 . . . . . 6 (𝐴 ∈ ℂ → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
70 negsub 10442 . . . . . . . 8 ((𝐴 ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6)) = (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))
7161, 70mpdan 705 . . . . . . 7 (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6)) = (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))
7271oveq2d 6781 . . . . . 6 (𝐴 ∈ ℂ → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
7365, 69, 723eqtr2d 2764 . . . . 5 (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
7445, 73oveq12d 6783 . . . 4 (𝐴 ∈ ℂ → ((1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6))) = ((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))))
7522, 24, 743eqtrd 2762 . . 3 (𝐴 ∈ ℂ → (((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))))
7675oveq1d 6780 . 2 (𝐴 ∈ ℂ → ((((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ‘4)(𝐹𝑘)) = (((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))) + Σ𝑘 ∈ (ℤ‘4)(𝐹𝑘)))
776, 76eqtrd 2758 1 (𝐴 ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = (((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))) + Σ𝑘 ∈ (ℤ‘4)(𝐹𝑘)))
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 383   = wceq 1596   ∈ wcel 2103   ≠ wne 2896   ↦ cmpt 4837  ‘cfv 6001  (class class class)co 6765  ℂcc 10047  0cc0 10049  1c1 10050  ici 10051   + caddc 10052   · cmul 10054   − cmin 10379  -cneg 10380   / cdiv 10797  2c2 11183  3c3 11184  4c4 11185  6c6 11187  ℕ0cn0 11405  ℤ≥cuz 11800  ↑cexp 12975  !cfa 13175  Σcsu 14536  expce 14912 This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1835  ax-4 1850  ax-5 1952  ax-6 2018  ax-7 2054  ax-8 2105  ax-9 2112  ax-10 2132  ax-11 2147  ax-12 2160  ax-13 2355  ax-ext 2704  ax-rep 4879  ax-sep 4889  ax-nul 4897  ax-pow 4948  ax-pr 5011  ax-un 7066  ax-inf2 8651  ax-cnex 10105  ax-resscn 10106  ax-1cn 10107  ax-icn 10108  ax-addcl 10109  ax-addrcl 10110  ax-mulcl 10111  ax-mulrcl 10112  ax-mulcom 10113  ax-addass 10114  ax-mulass 10115  ax-distr 10116  ax-i2m1 10117  ax-1ne0 10118  ax-1rid 10119  ax-rnegex 10120  ax-rrecex 10121  ax-cnre 10122  ax-pre-lttri 10123  ax-pre-lttrn 10124  ax-pre-ltadd 10125  ax-pre-mulgt0 10126  ax-pre-sup 10127  ax-addf 10128  ax-mulf 10129 This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 384  df-an 385  df-3or 1073  df-3an 1074  df-tru 1599  df-fal 1602  df-ex 1818  df-nf 1823  df-sb 2011  df-eu 2575  df-mo 2576  df-clab 2711  df-cleq 2717  df-clel 2720  df-nfc 2855  df-ne 2897  df-nel 3000  df-ral 3019  df-rex 3020  df-reu 3021  df-rmo 3022  df-rab 3023  df-v 3306  df-sbc 3542  df-csb 3640  df-dif 3683  df-un 3685  df-in 3687  df-ss 3694  df-pss 3696  df-nul 4024  df-if 4195  df-pw 4268  df-sn 4286  df-pr 4288  df-tp 4290  df-op 4292  df-uni 4545  df-int 4584  df-iun 4630  df-br 4761  df-opab 4821  df-mpt 4838  df-tr 4861  df-id 5128  df-eprel 5133  df-po 5139  df-so 5140  df-fr 5177  df-se 5178  df-we 5179  df-xp 5224  df-rel 5225  df-cnv 5226  df-co 5227  df-dm 5228  df-rn 5229  df-res 5230  df-ima 5231  df-pred 5793  df-ord 5839  df-on 5840  df-lim 5841  df-suc 5842  df-iota 5964  df-fun 6003  df-fn 6004  df-f 6005  df-f1 6006  df-fo 6007  df-f1o 6008  df-fv 6009  df-isom 6010  df-riota 6726  df-ov 6768  df-oprab 6769  df-mpt2 6770  df-om 7183  df-1st 7285  df-2nd 7286  df-wrecs 7527  df-recs 7588  df-rdg 7626  df-1o 7680  df-oadd 7684  df-er 7862  df-pm 7977  df-en 8073  df-dom 8074  df-sdom 8075  df-fin 8076  df-sup 8464  df-inf 8465  df-oi 8531  df-card 8878  df-pnf 10189  df-mnf 10190  df-xr 10191  df-ltxr 10192  df-le 10193  df-sub 10381  df-neg 10382  df-div 10798  df-nn 11134  df-2 11192  df-3 11193  df-4 11194  df-5 11195  df-6 11196  df-n0 11406  df-z 11491  df-uz 11801  df-rp 11947  df-ico 12295  df-fz 12441  df-fzo 12581  df-fl 12708  df-seq 12917  df-exp 12976  df-fac 13176  df-hash 13233  df-shft 13927  df-cj 13959  df-re 13960  df-im 13961  df-sqrt 14095  df-abs 14096  df-limsup 14322  df-clim 14339  df-rlim 14340  df-sum 14537  df-ef 14918 This theorem is referenced by:  resin4p  14988  recos4p  14989
 Copyright terms: Public domain W3C validator