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 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ∃𝑧 ∈ ℤ ∃𝑤 ∈ ℤ 𝑛 = (((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) + ((𝑧↑2) + (𝑤↑2)))}

Assertion

Ref	Expression
4sqlem4	⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 ↔ ∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[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 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ∃𝑧 ∈ ℤ ∃𝑤 ∈ ℤ 𝑛 = (((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) + ((𝑧↑2) + (𝑤↑2)))}
2	1	4sqlem2 12389	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 ↔ ∃𝑎 ∈ ℤ ∃𝑏 ∈ ℤ ∃𝑐 ∈ ℤ ∃𝑑 ∈ ℤ 𝐴 = (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))))
3		gzreim 12379	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → (𝑎 + (i · 𝑏)) ∈ ℤ[i])
4	3	adantr 276	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) ∧ (𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ)) → (𝑎 + (i · 𝑏)) ∈ ℤ[i])
5		gzreim 12379	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ) → (𝑐 + (i · 𝑑)) ∈ ℤ[i])
6	5	adantl 277	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) ∧ (𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ)) → (𝑐 + (i · 𝑑)) ∈ ℤ[i])
7		gzcn 12372	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑎 + (i · 𝑏)) ∈ ℤ[i] → (𝑎 + (i · 𝑏)) ∈ ℂ)
8	3, 7	syl 14	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → (𝑎 + (i · 𝑏)) ∈ ℂ)
9	8	absvalsq2d 11194	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → ((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) = (((ℜ‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((ℑ‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2)))
10		zre 9259	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑎 ∈ ℤ → 𝑎 ∈ ℝ)
11		zre 9259	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑏 ∈ ℤ → 𝑏 ∈ ℝ)
12		crre 10868	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑎 ∈ ℝ ∧ 𝑏 ∈ ℝ) → (ℜ‘(𝑎 + (i · 𝑏))) = 𝑎)
13	10, 11, 12	syl2an 289	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → (ℜ‘(𝑎 + (i · 𝑏))) = 𝑎)
14	13	oveq1d 5892	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → ((ℜ‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) = (𝑎↑2))
15		crim 10869	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑎 ∈ ℝ ∧ 𝑏 ∈ ℝ) → (ℑ‘(𝑎 + (i · 𝑏))) = 𝑏)
16	10, 11, 15	syl2an 289	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → (ℑ‘(𝑎 + (i · 𝑏))) = 𝑏)
17	16	oveq1d 5892	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → ((ℑ‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) = (𝑏↑2))
18	14, 17	oveq12d 5895	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → (((ℜ‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((ℑ‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2)) = ((𝑎↑2) + (𝑏↑2)))
19	9, 18	eqtrd 2210	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → ((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) = ((𝑎↑2) + (𝑏↑2)))
20		gzcn 12372	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑐 + (i · 𝑑)) ∈ ℤ[i] → (𝑐 + (i · 𝑑)) ∈ ℂ)
21	5, 20	syl 14	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ) → (𝑐 + (i · 𝑑)) ∈ ℂ)
22	21	absvalsq2d 11194	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ) → ((abs‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2) = (((ℜ‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2) + ((ℑ‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2)))
23		zre 9259	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑐 ∈ ℤ → 𝑐 ∈ ℝ)
24		zre 9259	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑑 ∈ ℤ → 𝑑 ∈ ℝ)
25		crre 10868	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑐 ∈ ℝ ∧ 𝑑 ∈ ℝ) → (ℜ‘(𝑐 + (i · 𝑑))) = 𝑐)
26	23, 24, 25	syl2an 289	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ) → (ℜ‘(𝑐 + (i · 𝑑))) = 𝑐)
27	26	oveq1d 5892	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ) → ((ℜ‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2) = (𝑐↑2))
28		crim 10869	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑐 ∈ ℝ ∧ 𝑑 ∈ ℝ) → (ℑ‘(𝑐 + (i · 𝑑))) = 𝑑)
29	23, 24, 28	syl2an 289	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ) → (ℑ‘(𝑐 + (i · 𝑑))) = 𝑑)
30	29	oveq1d 5892	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ) → ((ℑ‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2) = (𝑑↑2))
31	27, 30	oveq12d 5895	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ) → (((ℜ‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2) + ((ℑ‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2)) = ((𝑐↑2) + (𝑑↑2)))
32	22, 31	eqtrd 2210	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ) → ((abs‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2) = ((𝑐↑2) + (𝑑↑2)))
33	19, 32	oveqan12d 5896	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) ∧ (𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ)) → (((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((abs‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2)) = (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))))
34	33	eqcomd 2183	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) ∧ (𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ)) → (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))) = (((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((abs‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2)))
35		fveq2 5517	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑢 = (𝑎 + (i · 𝑏)) → (abs‘𝑢) = (abs‘(𝑎 + (i · 𝑏))))
36	35	oveq1d 5892	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑢 = (𝑎 + (i · 𝑏)) → ((abs‘𝑢)↑2) = ((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2))
37	36	oveq1d 5892	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑢 = (𝑎 + (i · 𝑏)) → (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)) = (((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)))
38	37	eqeq2d 2189	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑢 = (𝑎 + (i · 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 · 𝑏)))↑2) + ((abs‘𝑣)↑2))))
39		fveq2 5517	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑣 = (𝑐 + (i · 𝑑)) → (abs‘𝑣) = (abs‘(𝑐 + (i · 𝑑))))
40	39	oveq1d 5892	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑣 = (𝑐 + (i · 𝑑)) → ((abs‘𝑣)↑2) = ((abs‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2))
41	40	oveq2d 5893	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑣 = (𝑐 + (i · 𝑑)) → (((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)) = (((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((abs‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2)))
42	41	eqeq2d 2189	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑣 = (𝑐 + (i · 𝑑)) → ((((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))) = (((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)) ↔ (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))) = (((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((abs‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2))))
43	38, 42	rspc2ev 2858	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑎 + (i · 𝑏)) ∈ ℤ[i] ∧ (𝑐 + (i · 𝑑)) ∈ ℤ[i] ∧ (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))) = (((abs‘(𝑎 + (i · 𝑏)))↑2) + ((abs‘(𝑐 + (i · 𝑑)))↑2))) → ∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[i] (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))) = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)))
44	4, 6, 34, 43	syl3anc 1238	. . . . . 6 ⊢ (((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) ∧ (𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ)) → ∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[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))) → (∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[i] 𝐴 = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)) ↔ ∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[i] (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))) = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2))))
47	44, 46	syl5ibrcom 157	. . . . 5 ⊢ (((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) ∧ (𝑐 ∈ ℤ ∧ 𝑑 ∈ ℤ)) → (𝐴 = (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))) → ∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[i] 𝐴 = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2))))
48	47	rexlimdvva 2602	. . . 4 ⊢ ((𝑎 ∈ ℤ ∧ 𝑏 ∈ ℤ) → (∃𝑐 ∈ ℤ ∃𝑑 ∈ ℤ 𝐴 = (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))) → ∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[i] 𝐴 = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2))))
49	48	rexlimivv 2600	. . 3 ⊢ (∃𝑎 ∈ ℤ ∃𝑏 ∈ ℤ ∃𝑐 ∈ ℤ ∃𝑑 ∈ ℤ 𝐴 = (((𝑎↑2) + (𝑏↑2)) + ((𝑐↑2) + (𝑑↑2))) → ∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[i] 𝐴 = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)))
50	2, 49	sylbi 121	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 → ∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[i] 𝐴 = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)))
51	1	4sqlem4a 12391	. . . 4 ⊢ ((𝑢 ∈ ℤ[i] ∧ 𝑣 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)) ∈ 𝑆)
52		eleq1a 2249	. . . 4 ⊢ ((((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)) ∈ 𝑆 → (𝐴 = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)) → 𝐴 ∈ 𝑆))
53	51, 52	syl 14	. . 3 ⊢ ((𝑢 ∈ ℤ[i] ∧ 𝑣 ∈ ℤ[i]) → (𝐴 = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)) → 𝐴 ∈ 𝑆))
54	53	rexlimivv 2600	. 2 ⊢ (∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[i] 𝐴 = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)) → 𝐴 ∈ 𝑆)
55	50, 54	impbii 126	1 ⊢ (𝐴 ∈ 𝑆 ↔ ∃𝑢 ∈ ℤ[i] ∃𝑣 ∈ ℤ[i] 𝐴 = (((abs‘𝑢)↑2) + ((abs‘𝑣)↑2)))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 104   ↔ wb 105   = wceq 1353   ∈ wcel 2148  {cab 2163  ∃wrex 2456  ‘cfv 5218  (class class class)co 5877  ℂcc 7811  ℝcr 7812  ici 7815   + caddc 7816   · cmul 7818  2c2 8972  ℤcz 9255  ↑cexp 10521  ℜcre 10851  ℑcim 10852  abscabs 11008  ℤ[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