Theorem 4sqlem4 12392

Description: Lemma for 4sq (not yet proved here) . We can express the four-square property more compactly in terms of gaussian integers, because the norms of gaussian integers are exactly sums of two squares. (Contributed by Mario Carneiro, 14-Jul-2014.)

Hypothesis

Ref	Expression
4sq.1	|- S = { n | E. x e. ZZ E. y e. ZZ E. z e. ZZ E. w e. ZZ n = ( ( ( x ^ 2 ) + ( y ^ 2 ) ) + ( ( z ^ 2 ) + ( w ^ 2 ) ) ) }

Assertion

Ref	Expression
4sqlem4	|- ( A e. S <-> E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) )

Distinct variable groups:   w, n, x, y, z   v, n, A, u   S, n, u, v   u, A

Allowed substitution hints:   A( x, y, z, w)   S( x, y, z, w)

Proof of Theorem 4sqlem4

Dummy variables a b c d are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		4sq.1	. . . 4 |- S = { n | E. x e. ZZ E. y e. ZZ E. z e. ZZ E. w e. ZZ n = ( ( ( x ^ 2 ) + ( y ^ 2 ) ) + ( ( z ^ 2 ) + ( w ^ 2 ) ) ) }
2	1	4sqlem2 12389	. . 3 |- ( A e. S <-> E. a e. ZZ E. b e. ZZ E. c e. ZZ E. d e. ZZ A = ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) )
3		gzreim 12379	. . . . . . . 8 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( a + ( _i x. b ) ) e. ZZ[_i] )
4	3	adantr 276	. . . . . . 7 |- ( ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) /\ ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) ) -> ( a + ( _i x. b ) ) e. ZZ[_i] )
5		gzreim 12379	. . . . . . . 8 |- ( ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) -> ( c + ( _i x. d ) ) e. ZZ[_i] )
6	5	adantl 277	. . . . . . 7 |- ( ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) /\ ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) ) -> ( c + ( _i x. d ) ) e. ZZ[_i] )
7		gzcn 12372	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( a + ( _i x. b ) ) e. ZZ[_i] -> ( a + ( _i x. b ) ) e. CC )
8	3, 7	syl 14	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( a + ( _i x. b ) ) e. CC )
9	8	absvalsq2d 11194	. . . . . . . . . 10 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) = ( ( ( Re ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( Im ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) ) )
10		zre 9259	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( a e. ZZ -> a e. RR )
11		zre 9259	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( b e. ZZ -> b e. RR )
12		crre 10868	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( a e. RR /\ b e. RR ) -> ( Re ` ( a + ( _i x. b ) ) ) = a )
13	10, 11, 12	syl2an 289	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( Re ` ( a + ( _i x. b ) ) ) = a )
14	13	oveq1d 5892	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( ( Re ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) = ( a ^ 2 ) )
15		crim 10869	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( a e. RR /\ b e. RR ) -> ( Im ` ( a + ( _i x. b ) ) ) = b )
16	10, 11, 15	syl2an 289	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( Im ` ( a + ( _i x. b ) ) ) = b )
17	16	oveq1d 5892	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( ( Im ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) = ( b ^ 2 ) )
18	14, 17	oveq12d 5895	. . . . . . . . . 10 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( ( ( Re ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( Im ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) ) = ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) )
19	9, 18	eqtrd 2210	. . . . . . . . 9 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) = ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) )
20		gzcn 12372	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( c + ( _i x. d ) ) e. ZZ[_i] -> ( c + ( _i x. d ) ) e. CC )
21	5, 20	syl 14	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) -> ( c + ( _i x. d ) ) e. CC )
22	21	absvalsq2d 11194	. . . . . . . . . 10 |- ( ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) -> ( ( abs ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) = ( ( ( Re ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) + ( ( Im ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) ) )
23		zre 9259	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( c e. ZZ -> c e. RR )
24		zre 9259	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( d e. ZZ -> d e. RR )
25		crre 10868	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( c e. RR /\ d e. RR ) -> ( Re ` ( c + ( _i x. d ) ) ) = c )
26	23, 24, 25	syl2an 289	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) -> ( Re ` ( c + ( _i x. d ) ) ) = c )
27	26	oveq1d 5892	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) -> ( ( Re ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) = ( c ^ 2 ) )
28		crim 10869	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( c e. RR /\ d e. RR ) -> ( Im ` ( c + ( _i x. d ) ) ) = d )
29	23, 24, 28	syl2an 289	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) -> ( Im ` ( c + ( _i x. d ) ) ) = d )
30	29	oveq1d 5892	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) -> ( ( Im ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) = ( d ^ 2 ) )
31	27, 30	oveq12d 5895	. . . . . . . . . 10 |- ( ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) -> ( ( ( Re ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) + ( ( Im ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) ) = ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) )
32	22, 31	eqtrd 2210	. . . . . . . . 9 |- ( ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) -> ( ( abs ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) = ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) )
33	19, 32	oveqan12d 5896	. . . . . . . 8 |- ( ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) /\ ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) ) -> ( ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( abs ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) ) = ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) )
34	33	eqcomd 2183	. . . . . . 7 |- ( ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) /\ ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) ) -> ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( abs ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) ) )
35		fveq2 5517	. . . . . . . . . . 11 |- ( u = ( a + ( _i x. b ) ) -> ( abs ` u ) = ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) )
36	35	oveq1d 5892	. . . . . . . . . 10 |- ( u = ( a + ( _i x. b ) ) -> ( ( abs ` u ) ^ 2 ) = ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) )
37	36	oveq1d 5892	. . . . . . . . 9 |- ( u = ( a + ( _i x. b ) ) -> ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) = ( ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) )
38	37	eqeq2d 2189	. . . . . . . 8 |- ( u = ( a + ( _i x. b ) ) -> ( ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) <-> ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) ) )
39		fveq2 5517	. . . . . . . . . . 11 |- ( v = ( c + ( _i x. d ) ) -> ( abs ` v ) = ( abs ` ( c + ( _i x. d ) ) ) )
40	39	oveq1d 5892	. . . . . . . . . 10 |- ( v = ( c + ( _i x. d ) ) -> ( ( abs ` v ) ^ 2 ) = ( ( abs ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) )
41	40	oveq2d 5893	. . . . . . . . 9 |- ( v = ( c + ( _i x. d ) ) -> ( ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) = ( ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( abs ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) ) )
42	41	eqeq2d 2189	. . . . . . . 8 |- ( v = ( c + ( _i x. d ) ) -> ( ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) <-> ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( abs ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) ) ) )
43	38, 42	rspc2ev 2858	. . . . . . 7 |- ( ( ( a + ( _i x. b ) ) e. ZZ[_i] /\ ( c + ( _i x. d ) ) e. ZZ[_i] /\ ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` ( a + ( _i x. b ) ) ) ^ 2 ) + ( ( abs ` ( c + ( _i x. d ) ) ) ^ 2 ) ) ) -> E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) )
44	4, 6, 34, 43	syl3anc 1238	. . . . . 6 |- ( ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) /\ ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) ) -> E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) )
45		eqeq1 2184	. . . . . . 7 |- ( A = ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) -> ( A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) <-> ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) ) )
46	45	2rexbidv 2502	. . . . . 6 |- ( A = ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) -> ( E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) <-> E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) ) )
47	44, 46	syl5ibrcom 157	. . . . 5 |- ( ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) /\ ( c e. ZZ /\ d e. ZZ ) ) -> ( A = ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) -> E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) ) )
48	47	rexlimdvva 2602	. . . 4 |- ( ( a e. ZZ /\ b e. ZZ ) -> ( E. c e. ZZ E. d e. ZZ A = ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) -> E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) ) )
49	48	rexlimivv 2600	. . 3 |- ( E. a e. ZZ E. b e. ZZ E. c e. ZZ E. d e. ZZ A = ( ( ( a ^ 2 ) + ( b ^ 2 ) ) + ( ( c ^ 2 ) + ( d ^ 2 ) ) ) -> E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) )
50	2, 49	sylbi 121	. 2 |- ( A e. S -> E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) )
51	1	4sqlem4a 12391	. . . 4 |- ( ( u e. ZZ[_i] /\ v e. ZZ[_i] ) -> ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) e. S )
52		eleq1a 2249	. . . 4 |- ( ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) e. S -> ( A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) -> A e. S ) )
53	51, 52	syl 14	. . 3 |- ( ( u e. ZZ[_i] /\ v e. ZZ[_i] ) -> ( A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) -> A e. S ) )
54	53	rexlimivv 2600	. 2 |- ( E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) -> A e. S )
55	50, 54	impbii 126	1 |- ( A e. S <-> E. u e. ZZ[_i] E. v e. ZZ[_i] A = ( ( ( abs ` u ) ^ 2 ) + ( ( abs ` v ) ^ 2 ) ) )

Syntax hints:   -> wi 4   /\ wa 104   <-> wb 105   = wceq 1353   e. wcel 2148   {cab 2163   E.wrex 2456   ` cfv 5218  (class class class)co 5877   CCcc 7811   RRcr 7812   _ici 7815   + caddc 7816   x. cmul 7818   2c2 8972   ZZcz 9255   ^cexp 10521   Recre 10851   Imcim 10852   abscabs 11008   ZZ[_i]cgz 12369

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 614  ax-in2 615  ax-io 709  ax-5 1447  ax-7 1448  ax-gen 1449  ax-ie1 1493  ax-ie2 1494  ax-8 1504  ax-10 1505  ax-11 1506  ax-i12 1507  ax-bndl 1509  ax-4 1510  ax-17 1526  ax-i9 1530  ax-ial 1534  ax-i5r 1535  ax-13 2150  ax-14 2151  ax-ext 2159  ax-coll 4120  ax-sep 4123  ax-nul 4131  ax-pow 4176  ax-pr 4211  ax-un 4435  ax-setind 4538  ax-iinf 4589  ax-cnex 7904  ax-resscn 7905  ax-1cn 7906  ax-1re 7907  ax-icn 7908  ax-addcl 7909  ax-addrcl 7910  ax-mulcl 7911  ax-mulrcl 7912  ax-addcom 7913  ax-mulcom 7914  ax-addass 7915  ax-mulass 7916  ax-distr 7917  ax-i2m1 7918  ax-0lt1 7919  ax-1rid 7920  ax-0id 7921  ax-rnegex 7922  ax-precex 7923  ax-cnre 7924  ax-pre-ltirr 7925  ax-pre-ltwlin 7926  ax-pre-lttrn 7927  ax-pre-apti 7928  ax-pre-ltadd 7929  ax-pre-mulgt0 7930  ax-pre-mulext 7931  ax-arch 7932  ax-caucvg 7933

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-dc 835  df-3or 979  df-3an 980  df-tru 1356  df-fal 1359  df-nf 1461  df-sb 1763  df-eu 2029  df-mo 2030  df-clab 2164  df-cleq 2170  df-clel 2173  df-nfc 2308  df-ne 2348  df-nel 2443  df-ral 2460  df-rex 2461  df-reu 2462  df-rmo 2463  df-rab 2464  df-v 2741  df-sbc 2965  df-csb 3060  df-dif 3133  df-un 3135  df-in 3137  df-ss 3144  df-nul 3425  df-if 3537  df-pw 3579  df-sn 3600  df-pr 3601  df-op 3603  df-uni 3812  df-int 3847  df-iun 3890  df-br 4006  df-opab 4067  df-mpt 4068  df-tr 4104  df-id 4295  df-po 4298  df-iso 4299  df-iord 4368  df-on 4370  df-ilim 4371  df-suc 4373  df-iom 4592  df-xp 4634  df-rel 4635  df-cnv 4636  df-co 4637  df-dm 4638  df-rn 4639  df-res 4640  df-ima 4641  df-iota 5180  df-fun 5220  df-fn 5221  df-f 5222  df-f1 5223  df-fo 5224  df-f1o 5225  df-fv 5226  df-riota 5833  df-ov 5880  df-oprab 5881  df-mpo 5882  df-1st 6143  df-2nd 6144  df-recs 6308  df-frec 6394  df-pnf 7996  df-mnf 7997  df-xr 7998  df-ltxr 7999  df-le 8000  df-sub 8132  df-neg 8133  df-reap 8534  df-ap 8541  df-div 8632  df-inn 8922  df-2 8980  df-3 8981  df-4 8982  df-n0 9179  df-z 9256  df-uz 9531  df-rp 9656  df-seqfrec 10448  df-exp 10522  df-cj 10853  df-re 10854  df-im 10855  df-rsqrt 11009  df-abs 11010  df-gz 12370

This theorem is referenced by:  mul4sq  12394