Theorem efi4p 14706

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)(𝐹‘𝑘)))

Distinct variable groups:   𝐴,𝑘,𝑛   𝑘,𝐹

Allowed substitution hint:   𝐹(𝑛)

Proof of Theorem efi4p

Step	Hyp	Ref	Expression
1		ax-icn 9874	. . . 4 ⊢ i ∈ ℂ
2		mulcl 9899	. . . 4 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ) → (i · 𝐴) ∈ ℂ)
3	1, 2	mpan 702	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · 𝐴) ∈ ℂ)
4		efi4p.1	. . . 4 ⊢ 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (((i · 𝐴)↑𝑛) / (!‘𝑛)))
5	4	ef4p 14682	. . 3 ⊢ ((i · 𝐴) ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = ((((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)))
6	3, 5	syl 17	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = ((((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)))
7		ax-1cn 9873	. . . . . 6 ⊢ 1 ∈ ℂ
8		addcl 9897	. . . . . 6 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ (i · 𝐴) ∈ ℂ) → (1 + (i · 𝐴)) ∈ ℂ)
9	7, 3, 8	sylancr 694	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (i · 𝐴)) ∈ ℂ)
10	3	sqcld 12868	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) ∈ ℂ)
11	10	halfcld 11154	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) ∈ ℂ)
12		3nn0 11187	. . . . . . 7 ⊢ 3 ∈ ℕ0
13		expcl 12740	. . . . . . 7 ⊢ (((i · 𝐴) ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ)
14	3, 12, 13	sylancl 693	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ)
15		6cn 10979	. . . . . . 7 ⊢ 6 ∈ ℂ
16		6re 10978	. . . . . . . 8 ⊢ 6 ∈ ℝ
17		6pos 10996	. . . . . . . 8 ⊢ 0 < 6
18	16, 17	gt0ne0ii 10443	. . . . . . 7 ⊢ 6 ≠ 0
19		divcl 10570	. . . . . . 7 ⊢ ((((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0) → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
20	15, 18, 19	mp3an23 1408	. . . . . 6 ⊢ (((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
21	14, 20	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
22	9, 11, 21	addassd 9941	. . . 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))))
23	7	a1i 11	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → 1 ∈ ℂ)
24	23, 3, 11, 21	add4d 10143	. . . 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 11186	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 2 ∈ ℕ0
26		mulexp 12761	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
27	1, 25, 26	mp3an13 1407	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
28		i2 12827	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (i↑2) = -1
29	28	oveq1i 6559	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2))
30	29	a1i 11	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2)))
31		sqcl 12787	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑2) ∈ ℂ)
32	31	mulm1d 10361	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (-1 · (𝐴↑2)) = -(𝐴↑2))
33	27, 30, 32	3eqtrd 2648	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = -(𝐴↑2))
34	33	oveq1d 6564	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
35		2cn 10968	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 ∈ ℂ
36		2ne0 10990	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 ≠ 0
37		divneg 10598	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴↑2) ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ ∧ 2 ≠ 0) → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
38	35, 36, 37	mp3an23 1408	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐴↑2) ∈ ℂ → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
39	31, 38	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
40	34, 39	eqtr4d 2647	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = -((𝐴↑2) / 2))
41	40	oveq2d 6565	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 + -((𝐴↑2) / 2)))
42	31	halfcld 11154	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑2) / 2) ∈ ℂ)
43		negsub 10208	. . . . . . 7 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑2) / 2) ∈ ℂ) → (1 + -((𝐴↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
44	7, 42, 43	sylancr 694	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + -((𝐴↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
45	41, 44	eqtrd 2644	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
46		mulexp 12761	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
47	1, 12, 46	mp3an13 1407	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
48		i3 12828	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (i↑3) = -i
49	48	oveq1i 6559	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((i↑3) · (𝐴↑3)) = (-i · (𝐴↑3))
50	47, 49	syl6eq 2660	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = (-i · (𝐴↑3)))
51	50	oveq1d 6564	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = ((-i · (𝐴↑3)) / 6))
52		expcl 12740	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
53	12, 52	mpan2 703	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
54		negicn 10161	. . . . . . . . . 10 ⊢ -i ∈ ℂ
55	15, 18	pm3.2i 470	. . . . . . . . . 10 ⊢ (6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0)
56		divass 10582	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((-i ∈ ℂ ∧ (𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ (6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0)) → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
57	54, 55, 56	mp3an13 1407	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐴↑3) ∈ ℂ → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
58	53, 57	syl 17	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
59		divcl 10570	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0) → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
60	15, 18, 59	mp3an23 1408	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴↑3) ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
61	53, 60	syl 17	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
62		mulneg12 10347	. . . . . . . . 9 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (-i · ((𝐴↑3) / 6)) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
63	1, 61, 62	sylancr 694	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (-i · ((𝐴↑3) / 6)) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
64	51, 58, 63	3eqtrd 2648	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
65	64	oveq2d 6565	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
66	61	negcld 10258	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
67		adddi 9904	. . . . . . . 8 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
68	1, 67	mp3an1 1403	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
69	66, 68	mpdan 699	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
70		negsub 10208	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6)) = (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))
71	61, 70	mpdan 699	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6)) = (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))
72	71	oveq2d 6565	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
73	65, 69, 72	3eqtr2d 2650	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
74	45, 73	oveq12d 6567	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6))) = ((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))))
75	22, 24, 74	3eqtrd 2648	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))))
76	75	oveq1d 6564	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((((1 + (i · 𝐴)) + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)) = (((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)))
77	6, 76	eqtrd 2644	1 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (exp‘(i · 𝐴)) = (((1 − ((𝐴↑2) / 2)) + (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))) + Σ𝑘 ∈ (ℤ≥‘4)(𝐹‘𝑘)))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 383   = wceq 1475   ∈ wcel 1977   ≠ wne 2780   ↦ cmpt 4643  ‘cfv 5804  (class class class)co 6549  ℂcc 9813  0cc0 9815  1c1 9816  ici 9817   + caddc 9818   · cmul 9820   − cmin 10145  -cneg 10146   / cdiv 10563  2c2 10947  3c3 10948  4c4 10949  6c6 10951  ℕ₀cn0 11169  ℤ_≥cuz 11563  ↑cexp 12722  !cfa 12922  Σcsu 14264  expce 14631

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1713  ax-4 1728  ax-5 1827  ax-6 1875  ax-7 1922  ax-8 1979  ax-9 1986  ax-10 2006  ax-11 2021  ax-12 2034  ax-13 2234  ax-ext 2590  ax-rep 4699  ax-sep 4709  ax-nul 4717  ax-pow 4769  ax-pr 4833  ax-un 6847  ax-inf2 8421  ax-cnex 9871  ax-resscn 9872  ax-1cn 9873  ax-icn 9874  ax-addcl 9875  ax-addrcl 9876  ax-mulcl 9877  ax-mulrcl 9878  ax-mulcom 9879  ax-addass 9880  ax-mulass 9881  ax-distr 9882  ax-i2m1 9883  ax-1ne0 9884  ax-1rid 9885  ax-rnegex 9886  ax-rrecex 9887  ax-cnre 9888  ax-pre-lttri 9889  ax-pre-lttrn 9890  ax-pre-ltadd 9891  ax-pre-mulgt0 9892  ax-pre-sup 9893  ax-addf 9894  ax-mulf 9895

This theorem depends on definitions:  df-bi 196  df-or 384  df-an 385  df-3or 1032  df-3an 1033  df-tru 1478  df-fal 1481  df-ex 1696  df-nf 1701  df-sb 1868  df-eu 2462  df-mo 2463  df-clab 2597  df-cleq 2603  df-clel 2606  df-nfc 2740  df-ne 2782  df-nel 2783  df-ral 2901  df-rex 2902  df-reu 2903  df-rmo 2904  df-rab 2905  df-v 3175  df-sbc 3403  df-csb 3500  df-dif 3543  df-un 3545  df-in 3547  df-ss 3554  df-pss 3556  df-nul 3875  df-if 4037  df-pw 4110  df-sn 4126  df-pr 4128  df-tp 4130  df-op 4132  df-uni 4373  df-int 4411  df-iun 4457  df-br 4584  df-opab 4644  df-mpt 4645  df-tr 4681  df-eprel 4949  df-id 4953  df-po 4959  df-so 4960  df-fr 4997  df-se 4998  df-we 4999  df-xp 5044  df-rel 5045  df-cnv 5046  df-co 5047  df-dm 5048  df-rn 5049  df-res 5050  df-ima 5051  df-pred 5597  df-ord 5643  df-on 5644  df-lim 5645  df-suc 5646  df-iota 5768  df-fun 5806  df-fn 5807  df-f 5808  df-f1 5809  df-fo 5810  df-f1o 5811  df-fv 5812  df-isom 5813  df-riota 6511  df-ov 6552  df-oprab 6553  df-mpt2 6554  df-om 6958  df-1st 7059  df-2nd 7060  df-wrecs 7294  df-recs 7355  df-rdg 7393  df-1o 7447  df-oadd 7451  df-er 7629  df-pm 7747  df-en 7842  df-dom 7843  df-sdom 7844  df-fin 7845  df-sup 8231  df-inf 8232  df-oi 8298  df-card 8648  df-pnf 9955  df-mnf 9956  df-xr 9957  df-ltxr 9958  df-le 9959  df-sub 10147  df-neg 10148  df-div 10564  df-nn 10898  df-2 10956  df-3 10957  df-4 10958  df-5 10959  df-6 10960  df-n0 11170  df-z 11255  df-uz 11564  df-rp 11709  df-ico 12052  df-fz 12198  df-fzo 12335  df-fl 12455  df-seq 12664  df-exp 12723  df-fac 12923  df-hash 12980  df-shft 13655  df-cj 13687  df-re 13688  df-im 13689  df-sqrt 13823  df-abs 13824  df-limsup 14050  df-clim 14067  df-rlim 14068  df-sum 14265  df-ef 14637

This theorem is referenced by:  resin4p  14707  recos4p  14708