Theorem appdivnq 7504

Description: Approximate division for positive rationals. Proposition 12.7 of [BauerTaylor], p. 55 (a special case where 𝐴 and 𝐵 are positive, as well as 𝐶). Our proof is simpler than the one in BauerTaylor because we have reciprocals. (Contributed by Jim Kingdon, 8-Dec-2019.)

Assertion

Ref	Expression
appdivnq	⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → ∃𝑚 ∈ Q (𝐴 <Q (𝑚 ·Q 𝐶) ∧ (𝑚 ·Q 𝐶) <Q 𝐵))

Distinct variable groups:   𝐴,𝑚   𝐵,𝑚   𝐶,𝑚

Proof of Theorem appdivnq

Step	Hyp	Ref	Expression
1		simpl 108	. . . 4 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → 𝐴 <Q 𝐵)
2		ltrelnq 7306	. . . . . . . 8 ⊢ <Q ⊆ (Q × Q)
3	2	brel 4656	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 <Q 𝐵 → (𝐴 ∈ Q ∧ 𝐵 ∈ Q))
4	3	adantr 274	. . . . . 6 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → (𝐴 ∈ Q ∧ 𝐵 ∈ Q))
5	4	simpld 111	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → 𝐴 ∈ Q)
6	4	simprd 113	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → 𝐵 ∈ Q)
7		recclnq 7333	. . . . . 6 ⊢ (𝐶 ∈ Q → (*Q‘𝐶) ∈ Q)
8	7	adantl 275	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → (*Q‘𝐶) ∈ Q)
9		ltmnqg 7342	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 ∈ Q ∧ 𝐵 ∈ Q ∧ (*Q‘𝐶) ∈ Q) → (𝐴 <Q 𝐵 ↔ ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)))
10	5, 6, 8, 9	syl3anc 1228	. . . 4 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → (𝐴 <Q 𝐵 ↔ ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)))
11	1, 10	mpbid 146	. . 3 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵))
12		ltbtwnnqq 7356	. . 3 ⊢ (((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵) ↔ ∃𝑚 ∈ Q (((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q 𝑚 ∧ 𝑚 <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)))
13	11, 12	sylib 121	. 2 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → ∃𝑚 ∈ Q (((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q 𝑚 ∧ 𝑚 <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)))
14	8	adantr 274	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (*Q‘𝐶) ∈ Q)
15	5	adantr 274	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → 𝐴 ∈ Q)
16		mulclnq 7317	. . . . . . . . 9 ⊢ (((*Q‘𝐶) ∈ Q ∧ 𝐴 ∈ Q) → ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) ∈ Q)
17	14, 15, 16	syl2anc 409	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) ∈ Q)
18		simpr 109	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → 𝑚 ∈ Q)
19		simplr 520	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → 𝐶 ∈ Q)
20		ltmnqg 7342	. . . . . . . 8 ⊢ ((((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) ∈ Q ∧ 𝑚 ∈ Q ∧ 𝐶 ∈ Q) → (((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q 𝑚 ↔ (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴)) <Q (𝐶 ·Q 𝑚)))
21	17, 18, 19, 20	syl3anc 1228	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q 𝑚 ↔ (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴)) <Q (𝐶 ·Q 𝑚)))
22		recidnq 7334	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐶 ∈ Q → (𝐶 ·Q (*Q‘𝐶)) = 1Q)
23	22	oveq1d 5857	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐶 ∈ Q → ((𝐶 ·Q (*Q‘𝐶)) ·Q 𝐴) = (1Q ·Q 𝐴))
24	23	ad2antlr 481	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((𝐶 ·Q (*Q‘𝐶)) ·Q 𝐴) = (1Q ·Q 𝐴))
25		mulassnqg 7325	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐶 ∈ Q ∧ (*Q‘𝐶) ∈ Q ∧ 𝐴 ∈ Q) → ((𝐶 ·Q (*Q‘𝐶)) ·Q 𝐴) = (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴)))
26	19, 14, 15, 25	syl3anc 1228	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((𝐶 ·Q (*Q‘𝐶)) ·Q 𝐴) = (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴)))
27		1nq 7307	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ 1Q ∈ Q
28		mulcomnqg 7324	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((1Q ∈ Q ∧ 𝐴 ∈ Q) → (1Q ·Q 𝐴) = (𝐴 ·Q 1Q))
29	27, 28	mpan 421	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 ∈ Q → (1Q ·Q 𝐴) = (𝐴 ·Q 1Q))
30		mulidnq 7330	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 ∈ Q → (𝐴 ·Q 1Q) = 𝐴)
31	29, 30	eqtrd 2198	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ Q → (1Q ·Q 𝐴) = 𝐴)
32	15, 31	syl 14	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (1Q ·Q 𝐴) = 𝐴)
33	24, 26, 32	3eqtr3d 2206	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴)) = 𝐴)
34	33	breq1d 3992	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴)) <Q (𝐶 ·Q 𝑚) ↔ 𝐴 <Q (𝐶 ·Q 𝑚)))
35	21, 34	bitrd 187	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q 𝑚 ↔ 𝐴 <Q (𝐶 ·Q 𝑚)))
36	6	adantr 274	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → 𝐵 ∈ Q)
37		mulclnq 7317	. . . . . . . . 9 ⊢ (((*Q‘𝐶) ∈ Q ∧ 𝐵 ∈ Q) → ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵) ∈ Q)
38	14, 36, 37	syl2anc 409	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵) ∈ Q)
39		ltmnqg 7342	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑚 ∈ Q ∧ ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵) ∈ Q ∧ 𝐶 ∈ Q) → (𝑚 <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵) ↔ (𝐶 ·Q 𝑚) <Q (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵))))
40	18, 38, 19, 39	syl3anc 1228	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (𝑚 <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵) ↔ (𝐶 ·Q 𝑚) <Q (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵))))
41	22	oveq1d 5857	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐶 ∈ Q → ((𝐶 ·Q (*Q‘𝐶)) ·Q 𝐵) = (1Q ·Q 𝐵))
42	41	ad2antlr 481	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((𝐶 ·Q (*Q‘𝐶)) ·Q 𝐵) = (1Q ·Q 𝐵))
43		mulassnqg 7325	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐶 ∈ Q ∧ (*Q‘𝐶) ∈ Q ∧ 𝐵 ∈ Q) → ((𝐶 ·Q (*Q‘𝐶)) ·Q 𝐵) = (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)))
44	19, 14, 36, 43	syl3anc 1228	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((𝐶 ·Q (*Q‘𝐶)) ·Q 𝐵) = (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)))
45		mulcomnqg 7324	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((1Q ∈ Q ∧ 𝐵 ∈ Q) → (1Q ·Q 𝐵) = (𝐵 ·Q 1Q))
46	27, 45	mpan 421	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐵 ∈ Q → (1Q ·Q 𝐵) = (𝐵 ·Q 1Q))
47		mulidnq 7330	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐵 ∈ Q → (𝐵 ·Q 1Q) = 𝐵)
48	46, 47	eqtrd 2198	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐵 ∈ Q → (1Q ·Q 𝐵) = 𝐵)
49	36, 48	syl 14	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (1Q ·Q 𝐵) = 𝐵)
50	42, 44, 49	3eqtr3d 2206	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)) = 𝐵)
51	50	breq2d 3994	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((𝐶 ·Q 𝑚) <Q (𝐶 ·Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)) ↔ (𝐶 ·Q 𝑚) <Q 𝐵))
52	40, 51	bitrd 187	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (𝑚 <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵) ↔ (𝐶 ·Q 𝑚) <Q 𝐵))
53	35, 52	anbi12d 465	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q 𝑚 ∧ 𝑚 <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)) ↔ (𝐴 <Q (𝐶 ·Q 𝑚) ∧ (𝐶 ·Q 𝑚) <Q 𝐵)))
54		mulcomnqg 7324	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐶 ∈ Q ∧ 𝑚 ∈ Q) → (𝐶 ·Q 𝑚) = (𝑚 ·Q 𝐶))
55	19, 18, 54	syl2anc 409	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (𝐶 ·Q 𝑚) = (𝑚 ·Q 𝐶))
56	55	breq2d 3994	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → (𝐴 <Q (𝐶 ·Q 𝑚) ↔ 𝐴 <Q (𝑚 ·Q 𝐶)))
57	55	breq1d 3992	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((𝐶 ·Q 𝑚) <Q 𝐵 ↔ (𝑚 ·Q 𝐶) <Q 𝐵))
58	56, 57	anbi12d 465	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((𝐴 <Q (𝐶 ·Q 𝑚) ∧ (𝐶 ·Q 𝑚) <Q 𝐵) ↔ (𝐴 <Q (𝑚 ·Q 𝐶) ∧ (𝑚 ·Q 𝐶) <Q 𝐵)))
59	53, 58	bitrd 187	. . . 4 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q 𝑚 ∧ 𝑚 <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)) ↔ (𝐴 <Q (𝑚 ·Q 𝐶) ∧ (𝑚 ·Q 𝐶) <Q 𝐵)))
60	59	biimpd 143	. . 3 ⊢ (((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) ∧ 𝑚 ∈ Q) → ((((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q 𝑚 ∧ 𝑚 <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)) → (𝐴 <Q (𝑚 ·Q 𝐶) ∧ (𝑚 ·Q 𝐶) <Q 𝐵)))
61	60	reximdva 2568	. 2 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → (∃𝑚 ∈ Q (((*Q‘𝐶) ·Q 𝐴) <Q 𝑚 ∧ 𝑚 <Q ((*Q‘𝐶) ·Q 𝐵)) → ∃𝑚 ∈ Q (𝐴 <Q (𝑚 ·Q 𝐶) ∧ (𝑚 ·Q 𝐶) <Q 𝐵)))
62	13, 61	mpd 13	1 ⊢ ((𝐴 <Q 𝐵 ∧ 𝐶 ∈ Q) → ∃𝑚 ∈ Q (𝐴 <Q (𝑚 ·Q 𝐶) ∧ (𝑚 ·Q 𝐶) <Q 𝐵))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 103   ↔ wb 104   = wceq 1343   ∈ wcel 2136  ∃wrex 2445   class class class wbr 3982  ‘cfv 5188  (class class class)co 5842  Qcnq 7221  1_Qc1q 7222   ·_Q cmq 7224  *_Qcrq 7225   <_Q cltq 7226

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 105  ax-ia2 106  ax-ia3 107  ax-in1 604  ax-in2 605  ax-io 699  ax-5 1435  ax-7 1436  ax-gen 1437  ax-ie1 1481  ax-ie2 1482  ax-8 1492  ax-10 1493  ax-11 1494  ax-i12 1495  ax-bndl 1497  ax-4 1498  ax-17 1514  ax-i9 1518  ax-ial 1522  ax-i5r 1523  ax-13 2138  ax-14 2139  ax-ext 2147  ax-coll 4097  ax-sep 4100  ax-nul 4108  ax-pow 4153  ax-pr 4187  ax-un 4411  ax-setind 4514  ax-iinf 4565

This theorem depends on definitions:  df-bi 116  df-dc 825  df-3or 969  df-3an 970  df-tru 1346  df-fal 1349  df-nf 1449  df-sb 1751  df-eu 2017  df-mo 2018  df-clab 2152  df-cleq 2158  df-clel 2161  df-nfc 2297  df-ne 2337  df-ral 2449  df-rex 2450  df-reu 2451  df-rab 2453  df-v 2728  df-sbc 2952  df-csb 3046  df-dif 3118  df-un 3120  df-in 3122  df-ss 3129  df-nul 3410  df-pw 3561  df-sn 3582  df-pr 3583  df-op 3585  df-uni 3790  df-int 3825  df-iun 3868  df-br 3983  df-opab 4044  df-mpt 4045  df-tr 4081  df-eprel 4267  df-id 4271  df-po 4274  df-iso 4275  df-iord 4344  df-on 4346  df-suc 4349  df-iom 4568  df-xp 4610  df-rel 4611  df-cnv 4612  df-co 4613  df-dm 4614  df-rn 4615  df-res 4616  df-ima 4617  df-iota 5153  df-fun 5190  df-fn 5191  df-f 5192  df-f1 5193  df-fo 5194  df-f1o 5195  df-fv 5196  df-ov 5845  df-oprab 5846  df-mpo 5847  df-1st 6108  df-2nd 6109  df-recs 6273  df-irdg 6338  df-1o 6384  df-oadd 6388  df-omul 6389  df-er 6501  df-ec 6503  df-qs 6507  df-ni 7245  df-pli 7246  df-mi 7247  df-lti 7248  df-plpq 7285  df-mpq 7286  df-enq 7288  df-nqqs 7289  df-plqqs 7290  df-mqqs 7291  df-1nqqs 7292  df-rq 7293  df-ltnqqs 7294

This theorem is referenced by:  appdiv0nq  7505  mullocpr  7512