Theorem efi4p 14867

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 9995	. . . 4 ⊢ i ∈ ℂ
2		mulcl 10020	. . . 4 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ) → (i · 𝐴) ∈ ℂ)
3	1, 2	mpan 706	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · 𝐴) ∈ ℂ)
4		efi4p.1	. . . 4 ⊢ 𝐹 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (((i · 𝐴)↑𝑛) / (!‘𝑛)))
5	4	ef4p 14843	. . 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 9994	. . . . . 6 ⊢ 1 ∈ ℂ
8		addcl 10018	. . . . . 6 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ (i · 𝐴) ∈ ℂ) → (1 + (i · 𝐴)) ∈ ℂ)
9	7, 3, 8	sylancr 695	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (i · 𝐴)) ∈ ℂ)
10	3	sqcld 13006	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) ∈ ℂ)
11	10	halfcld 11277	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) ∈ ℂ)
12		3nn0 11310	. . . . . . 7 ⊢ 3 ∈ ℕ0
13		expcl 12878	. . . . . . 7 ⊢ (((i · 𝐴) ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ)
14	3, 12, 13	sylancl 694	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ)
15		6cn 11102	. . . . . . 7 ⊢ 6 ∈ ℂ
16		6re 11101	. . . . . . . 8 ⊢ 6 ∈ ℝ
17		6pos 11119	. . . . . . . 8 ⊢ 0 < 6
18	16, 17	gt0ne0ii 10564	. . . . . . 7 ⊢ 6 ≠ 0
19		divcl 10691	. . . . . . 7 ⊢ ((((i · 𝐴)↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0) → (((i · 𝐴)↑3) / 6) ∈ ℂ)
20	15, 18, 19	mp3an23 1416	. . . . . 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 10062	. . . 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 10264	. . . 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 11309	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 2 ∈ ℕ0
26		mulexp 12899	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
27	1, 25, 26	mp3an13 1415	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = ((i↑2) · (𝐴↑2)))
28		i2 12965	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (i↑2) = -1
29	28	oveq1i 6660	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2))
30	29	a1i 11	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i↑2) · (𝐴↑2)) = (-1 · (𝐴↑2)))
31		sqcl 12925	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑2) ∈ ℂ)
32	31	mulm1d 10482	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (-1 · (𝐴↑2)) = -(𝐴↑2))
33	27, 30, 32	3eqtrd 2660	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑2) = -(𝐴↑2))
34	33	oveq1d 6665	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
35		2cn 11091	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 ∈ ℂ
36		2ne0 11113	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 ≠ 0
37		divneg 10719	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴↑2) ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ ∧ 2 ≠ 0) → -((𝐴↑2) / 2) = (-(𝐴↑2) / 2))
38	35, 36, 37	mp3an23 1416	. . . . . . . . 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 2659	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑2) / 2) = -((𝐴↑2) / 2))
41	40	oveq2d 6666	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 + -((𝐴↑2) / 2)))
42	31	halfcld 11277	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑2) / 2) ∈ ℂ)
43		negsub 10329	. . . . . . 7 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑2) / 2) ∈ ℂ) → (1 + -((𝐴↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
44	7, 42, 43	sylancr 695	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + -((𝐴↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
45	41, 44	eqtrd 2656	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (1 + (((i · 𝐴)↑2) / 2)) = (1 − ((𝐴↑2) / 2)))
46		mulexp 12899	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
47	1, 12, 46	mp3an13 1415	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = ((i↑3) · (𝐴↑3)))
48		i3 12966	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (i↑3) = -i
49	48	oveq1i 6660	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((i↑3) · (𝐴↑3)) = (-i · (𝐴↑3))
50	47, 49	syl6eq 2672	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴)↑3) = (-i · (𝐴↑3)))
51	50	oveq1d 6665	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = ((-i · (𝐴↑3)) / 6))
52		expcl 12878	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 3 ∈ ℕ0) → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
53	12, 52	mpan2 707	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴↑3) ∈ ℂ)
54		negicn 10282	. . . . . . . . . 10 ⊢ -i ∈ ℂ
55	15, 18	pm3.2i 471	. . . . . . . . . 10 ⊢ (6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0)
56		divass 10703	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((-i ∈ ℂ ∧ (𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ (6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0)) → ((-i · (𝐴↑3)) / 6) = (-i · ((𝐴↑3) / 6)))
57	54, 55, 56	mp3an13 1415	. . . . . . . . 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 10691	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴↑3) ∈ ℂ ∧ 6 ∈ ℂ ∧ 6 ≠ 0) → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
60	15, 18, 59	mp3an23 1416	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐴↑3) ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
61	53, 60	syl 17	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
62		mulneg12 10468	. . . . . . . . 9 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (-i · ((𝐴↑3) / 6)) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
63	1, 61, 62	sylancr 695	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (-i · ((𝐴↑3) / 6)) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
64	51, 58, 63	3eqtrd 2660	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (((i · 𝐴)↑3) / 6) = (i · -((𝐴↑3) / 6)))
65	64	oveq2d 6666	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
66	61	negcld 10379	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ)
67		adddi 10025	. . . . . . . 8 ⊢ ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℂ ∧ -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
68	1, 67	mp3an1 1411	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ -((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
69	66, 68	mpdan 702	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = ((i · 𝐴) + (i · -((𝐴↑3) / 6))))
70		negsub 10329	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ ((𝐴↑3) / 6) ∈ ℂ) → (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6)) = (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))
71	61, 70	mpdan 702	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6)) = (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6)))
72	71	oveq2d 6666	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → (i · (𝐴 + -((𝐴↑3) / 6))) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
73	65, 69, 72	3eqtr2d 2662	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℂ → ((i · 𝐴) + (((i · 𝐴)↑3) / 6)) = (i · (𝐴 − ((𝐴↑3) / 6))))
74	45, 73	oveq12d 6668	. . . 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 2660	. . 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 6665	. 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 2656	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 384   = wceq 1483   ∈ wcel 1990   ≠ wne 2794   ↦ cmpt 4729  ‘cfv 5888  (class class class)co 6650  ℂcc 9934  0cc0 9936  1c1 9937  ici 9938   + caddc 9939   · cmul 9941   − cmin 10266  -cneg 10267   / cdiv 10684  2c2 11070  3c3 11071  4c4 11072  6c6 11074  ℕ₀cn0 11292  ℤ_≥cuz 11687  ↑cexp 12860  !cfa 13060  Σcsu 14416  expce 14792

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1722  ax-4 1737  ax-5 1839  ax-6 1888  ax-7 1935  ax-8 1992  ax-9 1999  ax-10 2019  ax-11 2034  ax-12 2047  ax-13 2246  ax-ext 2602  ax-rep 4771  ax-sep 4781  ax-nul 4789  ax-pow 4843  ax-pr 4906  ax-un 6949  ax-inf2 8538  ax-cnex 9992  ax-resscn 9993  ax-1cn 9994  ax-icn 9995  ax-addcl 9996  ax-addrcl 9997  ax-mulcl 9998  ax-mulrcl 9999  ax-mulcom 10000  ax-addass 10001  ax-mulass 10002  ax-distr 10003  ax-i2m1 10004  ax-1ne0 10005  ax-1rid 10006  ax-rnegex 10007  ax-rrecex 10008  ax-cnre 10009  ax-pre-lttri 10010  ax-pre-lttrn 10011  ax-pre-ltadd 10012  ax-pre-mulgt0 10013  ax-pre-sup 10014  ax-addf 10015  ax-mulf 10016

This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 385  df-an 386  df-3or 1038  df-3an 1039  df-tru 1486  df-fal 1489  df-ex 1705  df-nf 1710  df-sb 1881  df-eu 2474  df-mo 2475  df-clab 2609  df-cleq 2615  df-clel 2618  df-nfc 2753  df-ne 2795  df-nel 2898  df-ral 2917  df-rex 2918  df-reu 2919  df-rmo 2920  df-rab 2921  df-v 3202  df-sbc 3436  df-csb 3534  df-dif 3577  df-un 3579  df-in 3581  df-ss 3588  df-pss 3590  df-nul 3916  df-if 4087  df-pw 4160  df-sn 4178  df-pr 4180  df-tp 4182  df-op 4184  df-uni 4437  df-int 4476  df-iun 4522  df-br 4654  df-opab 4713  df-mpt 4730  df-tr 4753  df-id 5024  df-eprel 5029  df-po 5035  df-so 5036  df-fr 5073  df-se 5074  df-we 5075  df-xp 5120  df-rel 5121  df-cnv 5122  df-co 5123  df-dm 5124  df-rn 5125  df-res 5126  df-ima 5127  df-pred 5680  df-ord 5726  df-on 5727  df-lim 5728  df-suc 5729  df-iota 5851  df-fun 5890  df-fn 5891  df-f 5892  df-f1 5893  df-fo 5894  df-f1o 5895  df-fv 5896  df-isom 5897  df-riota 6611  df-ov 6653  df-oprab 6654  df-mpt2 6655  df-om 7066  df-1st 7168  df-2nd 7169  df-wrecs 7407  df-recs 7468  df-rdg 7506  df-1o 7560  df-oadd 7564  df-er 7742  df-pm 7860  df-en 7956  df-dom 7957  df-sdom 7958  df-fin 7959  df-sup 8348  df-inf 8349  df-oi 8415  df-card 8765  df-pnf 10076  df-mnf 10077  df-xr 10078  df-ltxr 10079  df-le 10080  df-sub 10268  df-neg 10269  df-div 10685  df-nn 11021  df-2 11079  df-3 11080  df-4 11081  df-5 11082  df-6 11083  df-n0 11293  df-z 11378  df-uz 11688  df-rp 11833  df-ico 12181  df-fz 12327  df-fzo 12466  df-fl 12593  df-seq 12802  df-exp 12861  df-fac 13061  df-hash 13118  df-shft 13807  df-cj 13839  df-re 13840  df-im 13841  df-sqrt 13975  df-abs 13976  df-limsup 14202  df-clim 14219  df-rlim 14220  df-sum 14417  df-ef 14798

This theorem is referenced by:  resin4p  14868  recos4p  14869