Metamath Proof Explorer < Previous   Next > Nearby theorems Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  4sqlem13 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem 4sqlem13 15863
 Description: Lemma for 4sq 15870. (Contributed by Mario Carneiro, 16-Jul-2014.) (Revised by AV, 14-Sep-2020.)
Hypotheses
Ref Expression
4sq.1 𝑆 = {𝑛 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ∃𝑧 ∈ ℤ ∃𝑤 ∈ ℤ 𝑛 = (((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) + ((𝑧↑2) + (𝑤↑2)))}
4sq.2 (𝜑𝑁 ∈ ℕ)
4sq.3 (𝜑𝑃 = ((2 · 𝑁) + 1))
4sq.4 (𝜑𝑃 ∈ ℙ)
4sq.5 (𝜑 → (0...(2 · 𝑁)) ⊆ 𝑆)
4sq.6 𝑇 = {𝑖 ∈ ℕ ∣ (𝑖 · 𝑃) ∈ 𝑆}
4sq.7 𝑀 = inf(𝑇, ℝ, < )
Assertion
Ref Expression
4sqlem13 (𝜑 → (𝑇 ≠ ∅ ∧ 𝑀 < 𝑃))
Distinct variable groups:   𝑤,𝑛,𝑥,𝑦,𝑧   𝑖,𝑛,𝑀   𝑛,𝑁   𝑃,𝑖,𝑛   𝜑,𝑛   𝑆,𝑖,𝑛
Allowed substitution hints:   𝜑(𝑥,𝑦,𝑧,𝑤,𝑖)   𝑃(𝑥,𝑦,𝑧,𝑤)   𝑆(𝑥,𝑦,𝑧,𝑤)   𝑇(𝑥,𝑦,𝑧,𝑤,𝑖,𝑛)   𝑀(𝑥,𝑦,𝑧,𝑤)   𝑁(𝑥,𝑦,𝑧,𝑤,𝑖)

Proof of Theorem 4sqlem13
Dummy variables 𝑘 𝑣 𝑢 𝑚 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 4sq.1 . . 3 𝑆 = {𝑛 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ∃𝑧 ∈ ℤ ∃𝑤 ∈ ℤ 𝑛 = (((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) + ((𝑧↑2) + (𝑤↑2)))}
2 4sq.2 . . 3 (𝜑𝑁 ∈ ℕ)
3 4sq.3 . . 3 (𝜑𝑃 = ((2 · 𝑁) + 1))
4 4sq.4 . . 3 (𝜑𝑃 ∈ ℙ)
5 eqid 2760 . . 3 {𝑢 ∣ ∃𝑚 ∈ (0...𝑁)𝑢 = ((𝑚↑2) mod 𝑃)} = {𝑢 ∣ ∃𝑚 ∈ (0...𝑁)𝑢 = ((𝑚↑2) mod 𝑃)}
6 eqid 2760 . . 3 (𝑣 ∈ {𝑢 ∣ ∃𝑚 ∈ (0...𝑁)𝑢 = ((𝑚↑2) mod 𝑃)} ↦ ((𝑃 − 1) − 𝑣)) = (𝑣 ∈ {𝑢 ∣ ∃𝑚 ∈ (0...𝑁)𝑢 = ((𝑚↑2) mod 𝑃)} ↦ ((𝑃 − 1) − 𝑣))
71, 2, 3, 4, 5, 64sqlem12 15862 . 2 (𝜑 → ∃𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1))∃𝑢 ∈ ℤ[i] (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃))
8 simplrl 819 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)))
9 elfznn 12563 . . . . . . . 8 (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) → 𝑘 ∈ ℕ)
108, 9syl 17 . . . . . . 7 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑘 ∈ ℕ)
11 simpr 479 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃))
12 abs1 14236 . . . . . . . . . . . 12 (abs‘1) = 1
1312oveq1i 6823 . . . . . . . . . . 11 ((abs‘1)↑2) = (1↑2)
14 sq1 13152 . . . . . . . . . . 11 (1↑2) = 1
1513, 14eqtri 2782 . . . . . . . . . 10 ((abs‘1)↑2) = 1
1615oveq2i 6824 . . . . . . . . 9 (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘1)↑2)) = (((abs‘𝑢)↑2) + 1)
17 simplrr 820 . . . . . . . . . 10 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑢 ∈ ℤ[i])
18 1z 11599 . . . . . . . . . . 11 1 ∈ ℤ
19 zgz 15839 . . . . . . . . . . 11 (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ[i])
2018, 19ax-mp 5 . . . . . . . . . 10 1 ∈ ℤ[i]
2114sqlem4a 15857 . . . . . . . . . 10 ((𝑢 ∈ ℤ[i] ∧ 1 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘1)↑2)) ∈ 𝑆)
2217, 20, 21sylancl 697 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘1)↑2)) ∈ 𝑆)
2316, 22syl5eqelr 2844 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → (((abs‘𝑢)↑2) + 1) ∈ 𝑆)
2411, 23eqeltrrd 2840 . . . . . . 7 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → (𝑘 · 𝑃) ∈ 𝑆)
25 oveq1 6820 . . . . . . . . 9 (𝑖 = 𝑘 → (𝑖 · 𝑃) = (𝑘 · 𝑃))
2625eleq1d 2824 . . . . . . . 8 (𝑖 = 𝑘 → ((𝑖 · 𝑃) ∈ 𝑆 ↔ (𝑘 · 𝑃) ∈ 𝑆))
27 4sq.6 . . . . . . . 8 𝑇 = {𝑖 ∈ ℕ ∣ (𝑖 · 𝑃) ∈ 𝑆}
2826, 27elrab2 3507 . . . . . . 7 (𝑘𝑇 ↔ (𝑘 ∈ ℕ ∧ (𝑘 · 𝑃) ∈ 𝑆))
2910, 24, 28sylanbrc 701 . . . . . 6 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑘𝑇)
30 ne0i 4064 . . . . . 6 (𝑘𝑇𝑇 ≠ ∅)
3129, 30syl 17 . . . . 5 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑇 ≠ ∅)
32 ssrab2 3828 . . . . . . . . 9 {𝑖 ∈ ℕ ∣ (𝑖 · 𝑃) ∈ 𝑆} ⊆ ℕ
3327, 32eqsstri 3776 . . . . . . . 8 𝑇 ⊆ ℕ
34 4sq.7 . . . . . . . . 9 𝑀 = inf(𝑇, ℝ, < )
35 nnuz 11916 . . . . . . . . . . 11 ℕ = (ℤ‘1)
3633, 35sseqtri 3778 . . . . . . . . . 10 𝑇 ⊆ (ℤ‘1)
37 infssuzcl 11965 . . . . . . . . . 10 ((𝑇 ⊆ (ℤ‘1) ∧ 𝑇 ≠ ∅) → inf(𝑇, ℝ, < ) ∈ 𝑇)
3836, 31, 37sylancr 698 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → inf(𝑇, ℝ, < ) ∈ 𝑇)
3934, 38syl5eqel 2843 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑀𝑇)
4033, 39sseldi 3742 . . . . . . 7 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑀 ∈ ℕ)
4140nnred 11227 . . . . . 6 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑀 ∈ ℝ)
4210nnred 11227 . . . . . 6 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑘 ∈ ℝ)
434ad2antrr 764 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑃 ∈ ℙ)
44 prmnn 15590 . . . . . . . 8 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
4543, 44syl 17 . . . . . . 7 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑃 ∈ ℕ)
4645nnred 11227 . . . . . 6 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑃 ∈ ℝ)
47 infssuzle 11964 . . . . . . . 8 ((𝑇 ⊆ (ℤ‘1) ∧ 𝑘𝑇) → inf(𝑇, ℝ, < ) ≤ 𝑘)
4836, 29, 47sylancr 698 . . . . . . 7 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → inf(𝑇, ℝ, < ) ≤ 𝑘)
4934, 48syl5eqbr 4839 . . . . . 6 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑀𝑘)
50 prmz 15591 . . . . . . . . . 10 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℤ)
5143, 50syl 17 . . . . . . . . 9 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑃 ∈ ℤ)
52 elfzm11 12604 . . . . . . . . 9 ((1 ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℤ) → (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ↔ (𝑘 ∈ ℤ ∧ 1 ≤ 𝑘𝑘 < 𝑃)))
5318, 51, 52sylancr 698 . . . . . . . 8 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ↔ (𝑘 ∈ ℤ ∧ 1 ≤ 𝑘𝑘 < 𝑃)))
548, 53mpbid 222 . . . . . . 7 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → (𝑘 ∈ ℤ ∧ 1 ≤ 𝑘𝑘 < 𝑃))
5554simp3d 1139 . . . . . 6 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑘 < 𝑃)
5641, 42, 46, 49, 55lelttrd 10387 . . . . 5 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → 𝑀 < 𝑃)
5731, 56jca 555 . . . 4 (((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) ∧ (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃)) → (𝑇 ≠ ∅ ∧ 𝑀 < 𝑃))
5857ex 449 . . 3 ((𝜑 ∧ (𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ 𝑢 ∈ ℤ[i])) → ((((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃) → (𝑇 ≠ ∅ ∧ 𝑀 < 𝑃)))
5958rexlimdvva 3176 . 2 (𝜑 → (∃𝑘 ∈ (1...(𝑃 − 1))∃𝑢 ∈ ℤ[i] (((abs‘𝑢)↑2) + 1) = (𝑘 · 𝑃) → (𝑇 ≠ ∅ ∧ 𝑀 < 𝑃)))
607, 59mpd 15 1 (𝜑 → (𝑇 ≠ ∅ ∧ 𝑀 < 𝑃))
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 196   ∧ wa 383   ∧ w3a 1072   = wceq 1632   ∈ wcel 2139  {cab 2746   ≠ wne 2932  ∃wrex 3051  {crab 3054   ⊆ wss 3715  ∅c0 4058   class class class wbr 4804   ↦ cmpt 4881  ‘cfv 6049  (class class class)co 6813  infcinf 8512  ℝcr 10127  0cc0 10128  1c1 10129   + caddc 10131   · cmul 10133   < clt 10266   ≤ cle 10267   − cmin 10458  ℕcn 11212  2c2 11262  ℤcz 11569  ℤ≥cuz 11879  ...cfz 12519   mod cmo 12862  ↑cexp 13054  abscabs 14173  ℙcprime 15587  ℤ[i]cgz 15835 This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1871  ax-4 1886  ax-5 1988  ax-6 2054  ax-7 2090  ax-8 2141  ax-9 2148  ax-10 2168  ax-11 2183  ax-12 2196  ax-13 2391  ax-ext 2740  ax-rep 4923  ax-sep 4933  ax-nul 4941  ax-pow 4992  ax-pr 5055  ax-un 7114  ax-cnex 10184  ax-resscn 10185  ax-1cn 10186  ax-icn 10187  ax-addcl 10188  ax-addrcl 10189  ax-mulcl 10190  ax-mulrcl 10191  ax-mulcom 10192  ax-addass 10193  ax-mulass 10194  ax-distr 10195  ax-i2m1 10196  ax-1ne0 10197  ax-1rid 10198  ax-rnegex 10199  ax-rrecex 10200  ax-cnre 10201  ax-pre-lttri 10202  ax-pre-lttrn 10203  ax-pre-ltadd 10204  ax-pre-mulgt0 10205  ax-pre-sup 10206 This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 384  df-an 385  df-3or 1073  df-3an 1074  df-tru 1635  df-ex 1854  df-nf 1859  df-sb 2047  df-eu 2611  df-mo 2612  df-clab 2747  df-cleq 2753  df-clel 2756  df-nfc 2891  df-ne 2933  df-nel 3036  df-ral 3055  df-rex 3056  df-reu 3057  df-rmo 3058  df-rab 3059  df-v 3342  df-sbc 3577  df-csb 3675  df-dif 3718  df-un 3720  df-in 3722  df-ss 3729  df-pss 3731  df-nul 4059  df-if 4231  df-pw 4304  df-sn 4322  df-pr 4324  df-tp 4326  df-op 4328  df-uni 4589  df-int 4628  df-iun 4674  df-br 4805  df-opab 4865  df-mpt 4882  df-tr 4905  df-id 5174  df-eprel 5179  df-po 5187  df-so 5188  df-fr 5225  df-we 5227  df-xp 5272  df-rel 5273  df-cnv 5274  df-co 5275  df-dm 5276  df-rn 5277  df-res 5278  df-ima 5279  df-pred 5841  df-ord 5887  df-on 5888  df-lim 5889  df-suc 5890  df-iota 6012  df-fun 6051  df-fn 6052  df-f 6053  df-f1 6054  df-fo 6055  df-f1o 6056  df-fv 6057  df-riota 6774  df-ov 6816  df-oprab 6817  df-mpt2 6818  df-om 7231  df-1st 7333  df-2nd 7334  df-wrecs 7576  df-recs 7637  df-rdg 7675  df-1o 7729  df-2o 7730  df-oadd 7733  df-er 7911  df-en 8122  df-dom 8123  df-sdom 8124  df-fin 8125  df-sup 8513  df-inf 8514  df-card 8955  df-cda 9182  df-pnf 10268  df-mnf 10269  df-xr 10270  df-ltxr 10271  df-le 10272  df-sub 10460  df-neg 10461  df-div 10877  df-nn 11213  df-2 11271  df-3 11272  df-4 11273  df-n0 11485  df-xnn0 11556  df-z 11570  df-uz 11880  df-rp 12026  df-fz 12520  df-fl 12787  df-mod 12863  df-seq 12996  df-exp 13055  df-hash 13312  df-cj 14038  df-re 14039  df-im 14040  df-sqrt 14174  df-abs 14175  df-dvds 15183  df-gcd 15419  df-prm 15588  df-gz 15836 This theorem is referenced by:  4sqlem14  15864  4sqlem17  15867  4sqlem18  15868
 Copyright terms: Public domain W3C validator