MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  4sqlem19 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem 4sqlem19 15867
Description: Lemma for 4sq 15868. The proof is by strong induction - we show that if all the integers less than 𝑘 are in 𝑆, then 𝑘 is as well. In this part of the proof we do the induction argument and dispense with all the cases except the odd prime case, which is sent to 4sqlem18 15866. If 𝑘 is 0, 1, 2, we show 𝑘𝑆 directly; otherwise if 𝑘 is composite, 𝑘 is the product of two numbers less than it (and hence in 𝑆 by assumption), so by mul4sq 15858 𝑘𝑆. (Contributed by Mario Carneiro, 14-Jul-2014.) (Revised by Mario Carneiro, 20-Jun-2015.)
Hypothesis
Ref Expression
4sq.1 𝑆 = {𝑛 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ∃𝑧 ∈ ℤ ∃𝑤 ∈ ℤ 𝑛 = (((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) + ((𝑧↑2) + (𝑤↑2)))}
Assertion
Ref Expression
4sqlem19 0 = 𝑆
Distinct variable groups:   𝑤,𝑛,𝑥,𝑦,𝑧   𝑆,𝑛
Allowed substitution hints:   𝑆(𝑥,𝑦,𝑧,𝑤)

Proof of Theorem 4sqlem19
Dummy variables 𝑗 𝑘 𝑖 𝑚 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 elnn0 11484 . . . 4 (𝑘 ∈ ℕ0 ↔ (𝑘 ∈ ℕ ∨ 𝑘 = 0))
2 eleq1 2825 . . . . . 6 (𝑗 = 1 → (𝑗𝑆 ↔ 1 ∈ 𝑆))
3 eleq1 2825 . . . . . 6 (𝑗 = 𝑚 → (𝑗𝑆𝑚𝑆))
4 eleq1 2825 . . . . . 6 (𝑗 = 𝑖 → (𝑗𝑆𝑖𝑆))
5 eleq1 2825 . . . . . 6 (𝑗 = (𝑚 · 𝑖) → (𝑗𝑆 ↔ (𝑚 · 𝑖) ∈ 𝑆))
6 eleq1 2825 . . . . . 6 (𝑗 = 𝑘 → (𝑗𝑆𝑘𝑆))
7 abs1 14234 . . . . . . . . . . 11 (abs‘1) = 1
87oveq1i 6821 . . . . . . . . . 10 ((abs‘1)↑2) = (1↑2)
9 sq1 13150 . . . . . . . . . 10 (1↑2) = 1
108, 9eqtri 2780 . . . . . . . . 9 ((abs‘1)↑2) = 1
11 abs0 14222 . . . . . . . . . . 11 (abs‘0) = 0
1211oveq1i 6821 . . . . . . . . . 10 ((abs‘0)↑2) = (0↑2)
13 sq0 13147 . . . . . . . . . 10 (0↑2) = 0
1412, 13eqtri 2780 . . . . . . . . 9 ((abs‘0)↑2) = 0
1510, 14oveq12i 6823 . . . . . . . 8 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = (1 + 0)
16 1p0e1 11323 . . . . . . . 8 (1 + 0) = 1
1715, 16eqtri 2780 . . . . . . 7 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = 1
18 1z 11597 . . . . . . . . 9 1 ∈ ℤ
19 zgz 15837 . . . . . . . . 9 (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ[i])
2018, 19ax-mp 5 . . . . . . . 8 1 ∈ ℤ[i]
21 0z 11578 . . . . . . . . 9 0 ∈ ℤ
22 zgz 15837 . . . . . . . . 9 (0 ∈ ℤ → 0 ∈ ℤ[i])
2321, 22ax-mp 5 . . . . . . . 8 0 ∈ ℤ[i]
24 4sq.1 . . . . . . . . 9 𝑆 = {𝑛 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ∃𝑧 ∈ ℤ ∃𝑤 ∈ ℤ 𝑛 = (((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) + ((𝑧↑2) + (𝑤↑2)))}
25244sqlem4a 15855 . . . . . . . 8 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 0 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆)
2620, 23, 25mp2an 710 . . . . . . 7 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆
2717, 26eqeltrri 2834 . . . . . 6 1 ∈ 𝑆
28 eleq1 2825 . . . . . . 7 (𝑗 = 2 → (𝑗𝑆 ↔ 2 ∈ 𝑆))
29 eldifsn 4460 . . . . . . . . 9 (𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ↔ (𝑗 ∈ ℙ ∧ 𝑗 ≠ 2))
30 oddprm 15715 . . . . . . . . . . 11 (𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) → ((𝑗 − 1) / 2) ∈ ℕ)
3130adantr 472 . . . . . . . . . 10 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((𝑗 − 1) / 2) ∈ ℕ)
32 eldifi 3873 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑗 ∈ ℙ)
3332adantr 472 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗 ∈ ℙ)
34 prmnn 15588 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 ∈ ℙ → 𝑗 ∈ ℕ)
35 nncn 11218 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℂ)
3633, 34, 353syl 18 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗 ∈ ℂ)
37 ax-1cn 10184 . . . . . . . . . . . . . 14 1 ∈ ℂ
38 subcl 10470 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → (𝑗 − 1) ∈ ℂ)
3936, 37, 38sylancl 697 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (𝑗 − 1) ∈ ℂ)
40 2cnd 11283 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 2 ∈ ℂ)
41 2ne0 11303 . . . . . . . . . . . . . 14 2 ≠ 0
4241a1i 11 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 2 ≠ 0)
4339, 40, 42divcan2d 10993 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (2 · ((𝑗 − 1) / 2)) = (𝑗 − 1))
4443oveq1d 6826 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((2 · ((𝑗 − 1) / 2)) + 1) = ((𝑗 − 1) + 1))
45 npcan 10480 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑗 − 1) + 1) = 𝑗)
4636, 37, 45sylancl 697 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((𝑗 − 1) + 1) = 𝑗)
4744, 46eqtr2d 2793 . . . . . . . . . 10 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗 = ((2 · ((𝑗 − 1) / 2)) + 1))
4843oveq2d 6827 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...(2 · ((𝑗 − 1) / 2))) = (0...(𝑗 − 1)))
49 nnm1nn0 11524 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 ∈ ℕ → (𝑗 − 1) ∈ ℕ0)
5033, 34, 493syl 18 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (𝑗 − 1) ∈ ℕ0)
51 elnn0uz 11916 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 − 1) ∈ ℕ0 ↔ (𝑗 − 1) ∈ (ℤ‘0))
5250, 51sylib 208 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (𝑗 − 1) ∈ (ℤ‘0))
53 eluzfz1 12539 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 − 1) ∈ (ℤ‘0) → 0 ∈ (0...(𝑗 − 1)))
54 fzsplit 12558 . . . . . . . . . . . . 13 (0 ∈ (0...(𝑗 − 1)) → (0...(𝑗 − 1)) = ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))))
5552, 53, 543syl 18 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...(𝑗 − 1)) = ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))))
5648, 55eqtrd 2792 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...(2 · ((𝑗 − 1) / 2))) = ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))))
57 fzsn 12574 . . . . . . . . . . . . . . 15 (0 ∈ ℤ → (0...0) = {0})
5821, 57ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . 14 (0...0) = {0}
5914, 14oveq12i 6823 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = (0 + 0)
60 00id 10401 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (0 + 0) = 0
6159, 60eqtri 2780 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = 0
62244sqlem4a 15855 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 ((0 ∈ ℤ[i] ∧ 0 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆)
6323, 23, 62mp2an 710 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆
6461, 63eqeltrri 2834 . . . . . . . . . . . . . . 15 0 ∈ 𝑆
65 snssi 4482 . . . . . . . . . . . . . . 15 (0 ∈ 𝑆 → {0} ⊆ 𝑆)
6664, 65ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . 14 {0} ⊆ 𝑆
6758, 66eqsstri 3774 . . . . . . . . . . . . 13 (0...0) ⊆ 𝑆
6867a1i 11 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...0) ⊆ 𝑆)
69 0p1e1 11322 . . . . . . . . . . . . . 14 (0 + 1) = 1
7069oveq1i 6821 . . . . . . . . . . . . 13 ((0 + 1)...(𝑗 − 1)) = (1...(𝑗 − 1))
71 simpr 479 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆)
72 dfss3 3731 . . . . . . . . . . . . . 14 ((1...(𝑗 − 1)) ⊆ 𝑆 ↔ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆)
7371, 72sylibr 224 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (1...(𝑗 − 1)) ⊆ 𝑆)
7470, 73syl5eqss 3788 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((0 + 1)...(𝑗 − 1)) ⊆ 𝑆)
7568, 74unssd 3930 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))) ⊆ 𝑆)
7656, 75eqsstrd 3778 . . . . . . . . . 10 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...(2 · ((𝑗 − 1) / 2))) ⊆ 𝑆)
77 oveq1 6818 . . . . . . . . . . . 12 (𝑘 = 𝑖 → (𝑘 · 𝑗) = (𝑖 · 𝑗))
7877eleq1d 2822 . . . . . . . . . . 11 (𝑘 = 𝑖 → ((𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆 ↔ (𝑖 · 𝑗) ∈ 𝑆))
7978cbvrabv 3337 . . . . . . . . . 10 {𝑘 ∈ ℕ ∣ (𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆} = {𝑖 ∈ ℕ ∣ (𝑖 · 𝑗) ∈ 𝑆}
80 eqid 2758 . . . . . . . . . 10 inf({𝑘 ∈ ℕ ∣ (𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆}, ℝ, < ) = inf({𝑘 ∈ ℕ ∣ (𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆}, ℝ, < )
8124, 31, 47, 33, 76, 79, 804sqlem18 15866 . . . . . . . . 9 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗𝑆)
8229, 81sylanbr 491 . . . . . . . 8 (((𝑗 ∈ ℙ ∧ 𝑗 ≠ 2) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗𝑆)
8382an32s 881 . . . . . . 7 (((𝑗 ∈ ℙ ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) ∧ 𝑗 ≠ 2) → 𝑗𝑆)
8410, 10oveq12i 6823 . . . . . . . . . 10 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) = (1 + 1)
85 df-2 11269 . . . . . . . . . 10 2 = (1 + 1)
8684, 85eqtr4i 2783 . . . . . . . . 9 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) = 2
87244sqlem4a 15855 . . . . . . . . . 10 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 1 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) ∈ 𝑆)
8820, 20, 87mp2an 710 . . . . . . . . 9 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) ∈ 𝑆
8986, 88eqeltrri 2834 . . . . . . . 8 2 ∈ 𝑆
9089a1i 11 . . . . . . 7 ((𝑗 ∈ ℙ ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 2 ∈ 𝑆)
9128, 83, 90pm2.61ne 3015 . . . . . 6 ((𝑗 ∈ ℙ ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗𝑆)
9224mul4sq 15858 . . . . . . 7 ((𝑚𝑆𝑖𝑆) → (𝑚 · 𝑖) ∈ 𝑆)
9392a1i 11 . . . . . 6 ((𝑚 ∈ (ℤ‘2) ∧ 𝑖 ∈ (ℤ‘2)) → ((𝑚𝑆𝑖𝑆) → (𝑚 · 𝑖) ∈ 𝑆))
942, 3, 4, 5, 6, 27, 91, 93prmind2 15598 . . . . 5 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘𝑆)
95 id 22 . . . . . 6 (𝑘 = 0 → 𝑘 = 0)
9695, 64syl6eqel 2845 . . . . 5 (𝑘 = 0 → 𝑘𝑆)
9794, 96jaoi 393 . . . 4 ((𝑘 ∈ ℕ ∨ 𝑘 = 0) → 𝑘𝑆)
981, 97sylbi 207 . . 3 (𝑘 ∈ ℕ0𝑘𝑆)
9998ssriv 3746 . 2 0𝑆
100244sqlem1 15852 . 2 𝑆 ⊆ ℕ0
10199, 100eqssi 3758 1 0 = 𝑆
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wo 382  wa 383   = wceq 1630  wcel 2137  {cab 2744  wne 2930  wral 3048  wrex 3049  {crab 3052  cdif 3710  cun 3711  wss 3713  {csn 4319  cfv 6047  (class class class)co 6811  infcinf 8510  cc 10124  cr 10125  0cc0 10126  1c1 10127   + caddc 10129   · cmul 10131   < clt 10264  cmin 10456   / cdiv 10874  cn 11210  2c2 11260  0cn0 11482  cz 11567  cuz 11877  ...cfz 12517  cexp 13052  abscabs 14171  cprime 15585  ℤ[i]cgz 15833
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1869  ax-4 1884  ax-5 1986  ax-6 2052  ax-7 2088  ax-8 2139  ax-9 2146  ax-10 2166  ax-11 2181  ax-12 2194  ax-13 2389  ax-ext 2738  ax-rep 4921  ax-sep 4931  ax-nul 4939  ax-pow 4990  ax-pr 5053  ax-un 7112  ax-cnex 10182  ax-resscn 10183  ax-1cn 10184  ax-icn 10185  ax-addcl 10186  ax-addrcl 10187  ax-mulcl 10188  ax-mulrcl 10189  ax-mulcom 10190  ax-addass 10191  ax-mulass 10192  ax-distr 10193  ax-i2m1 10194  ax-1ne0 10195  ax-1rid 10196  ax-rnegex 10197  ax-rrecex 10198  ax-cnre 10199  ax-pre-lttri 10200  ax-pre-lttrn 10201  ax-pre-ltadd 10202  ax-pre-mulgt0 10203  ax-pre-sup 10204
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 384  df-an 385  df-3or 1073  df-3an 1074  df-tru 1633  df-ex 1852  df-nf 1857  df-sb 2045  df-eu 2609  df-mo 2610  df-clab 2745  df-cleq 2751  df-clel 2754  df-nfc 2889  df-ne 2931  df-nel 3034  df-ral 3053  df-rex 3054  df-reu 3055  df-rmo 3056  df-rab 3057  df-v 3340  df-sbc 3575  df-csb 3673  df-dif 3716  df-un 3718  df-in 3720  df-ss 3727  df-pss 3729  df-nul 4057  df-if 4229  df-pw 4302  df-sn 4320  df-pr 4322  df-tp 4324  df-op 4326  df-uni 4587  df-int 4626  df-iun 4672  df-br 4803  df-opab 4863  df-mpt 4880  df-tr 4903  df-id 5172  df-eprel 5177  df-po 5185  df-so 5186  df-fr 5223  df-we 5225  df-xp 5270  df-rel 5271  df-cnv 5272  df-co 5273  df-dm 5274  df-rn 5275  df-res 5276  df-ima 5277  df-pred 5839  df-ord 5885  df-on 5886  df-lim 5887  df-suc 5888  df-iota 6010  df-fun 6049  df-fn 6050  df-f 6051  df-f1 6052  df-fo 6053  df-f1o 6054  df-fv 6055  df-riota 6772  df-ov 6814  df-oprab 6815  df-mpt2 6816  df-om 7229  df-1st 7331  df-2nd 7332  df-wrecs 7574  df-recs 7635  df-rdg 7673  df-1o 7727  df-2o 7728  df-oadd 7731  df-er 7909  df-en 8120  df-dom 8121  df-sdom 8122  df-fin 8123  df-sup 8511  df-inf 8512  df-card 8953  df-cda 9180  df-pnf 10266  df-mnf 10267  df-xr 10268  df-ltxr 10269  df-le 10270  df-sub 10458  df-neg 10459  df-div 10875  df-nn 11211  df-2 11269  df-3 11270  df-4 11271  df-n0 11483  df-xnn0 11554  df-z 11568  df-uz 11878  df-rp 12024  df-fz 12518  df-fl 12785  df-mod 12861  df-seq 12994  df-exp 13053  df-hash 13310  df-cj 14036  df-re 14037  df-im 14038  df-sqrt 14172  df-abs 14173  df-dvds 15181  df-gcd 15417  df-prm 15586  df-gz 15834
This theorem is referenced by:  4sq  15868
  Copyright terms: Public domain W3C validator