Theorem bezoutlemsup 11993

Description: Lemma for Bézout's identity. The number satisfying the greatest common divisor condition is the supremum of divisors of both 𝐴 and 𝐵. (Contributed by Mario Carneiro and Jim Kingdon, 9-Jan-2022.)

Hypotheses

Ref	Expression
bezoutlemgcd.1	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℤ)
bezoutlemgcd.2	⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ ℤ)
bezoutlemgcd.3	⊢ (𝜑 → 𝐷 ∈ ℕ0)
bezoutlemgcd.4	⊢ (𝜑 → ∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧 ∥ 𝐷 ↔ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)))
bezoutlemgcd.5	⊢ (𝜑 → ¬ (𝐴 = 0 ∧ 𝐵 = 0))

Assertion

Ref	Expression
bezoutlemsup	⊢ (𝜑 → 𝐷 = sup({𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}, ℝ, < ))

Distinct variable groups:   𝑧,𝐷   𝑧,𝐴   𝑧,𝐵   𝜑,𝑧

Proof of Theorem bezoutlemsup

Dummy variables 𝑤 𝑓 𝑔 𝑢 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		bezoutlemgcd.3	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐷 ∈ ℕ0)
2	1	nn0red 9219	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐷 ∈ ℝ)
3		elrabi 2890	. . . . . . 7 ⊢ (𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)} → 𝑤 ∈ ℤ)
4	3	adantl 277	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}) → 𝑤 ∈ ℤ)
5	4	zred 9364	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}) → 𝑤 ∈ ℝ)
6	2	adantr 276	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}) → 𝐷 ∈ ℝ)
7		breq1 4003	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → (𝑧 ∥ 𝐴 ↔ 𝑤 ∥ 𝐴))
8		breq1 4003	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → (𝑧 ∥ 𝐵 ↔ 𝑤 ∥ 𝐵))
9	7, 8	anbi12d 473	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → ((𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵) ↔ (𝑤 ∥ 𝐴 ∧ 𝑤 ∥ 𝐵)))
10	9	elrab 2893	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)} ↔ (𝑤 ∈ ℤ ∧ (𝑤 ∥ 𝐴 ∧ 𝑤 ∥ 𝐵)))
11	10	simprbi 275	. . . . . . 7 ⊢ (𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)} → (𝑤 ∥ 𝐴 ∧ 𝑤 ∥ 𝐵))
12	11	adantl 277	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}) → (𝑤 ∥ 𝐴 ∧ 𝑤 ∥ 𝐵))
13		breq1 4003	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → (𝑧 ≤ 𝐷 ↔ 𝑤 ≤ 𝐷))
14	9, 13	imbi12d 234	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑧 = 𝑤 → (((𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵) → 𝑧 ≤ 𝐷) ↔ ((𝑤 ∥ 𝐴 ∧ 𝑤 ∥ 𝐵) → 𝑤 ≤ 𝐷)))
15		bezoutlemgcd.1	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℤ)
16		bezoutlemgcd.2	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ ℤ)
17		bezoutlemgcd.4	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → ∀𝑧 ∈ ℤ (𝑧 ∥ 𝐷 ↔ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)))
18		bezoutlemgcd.5	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → ¬ (𝐴 = 0 ∧ 𝐵 = 0))
19	15, 16, 1, 17, 18	bezoutlemle 11992	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → ∀𝑧 ∈ ℤ ((𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵) → 𝑧 ≤ 𝐷))
20	19	adantr 276	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℤ) → ∀𝑧 ∈ ℤ ((𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵) → 𝑧 ≤ 𝐷))
21		simpr 110	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℤ) → 𝑤 ∈ ℤ)
22	14, 20, 21	rspcdva 2846	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℤ) → ((𝑤 ∥ 𝐴 ∧ 𝑤 ∥ 𝐵) → 𝑤 ≤ 𝐷))
23	3, 22	sylan2 286	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}) → ((𝑤 ∥ 𝐴 ∧ 𝑤 ∥ 𝐵) → 𝑤 ≤ 𝐷))
24	12, 23	mpd 13	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}) → 𝑤 ≤ 𝐷)
25	5, 6, 24	lensymd 8069	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}) → ¬ 𝐷 < 𝑤)
26	25	ralrimiva 2550	. . 3 ⊢ (𝜑 → ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)} ¬ 𝐷 < 𝑤)
27	1	nn0zd 9362	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐷 ∈ ℤ)
28		iddvds 11795	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐷 ∈ ℤ → 𝐷 ∥ 𝐷)
29	27, 28	syl 14	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐷 ∥ 𝐷)
30		breq1 4003	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑧 = 𝐷 → (𝑧 ∥ 𝐷 ↔ 𝐷 ∥ 𝐷))
31		breq1 4003	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑧 = 𝐷 → (𝑧 ∥ 𝐴 ↔ 𝐷 ∥ 𝐴))
32		breq1 4003	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑧 = 𝐷 → (𝑧 ∥ 𝐵 ↔ 𝐷 ∥ 𝐵))
33	31, 32	anbi12d 473	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑧 = 𝐷 → ((𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵) ↔ (𝐷 ∥ 𝐴 ∧ 𝐷 ∥ 𝐵)))
34	30, 33	bibi12d 235	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑧 = 𝐷 → ((𝑧 ∥ 𝐷 ↔ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)) ↔ (𝐷 ∥ 𝐷 ↔ (𝐷 ∥ 𝐴 ∧ 𝐷 ∥ 𝐵))))
35	34, 17, 27	rspcdva 2846	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝐷 ∥ 𝐷 ↔ (𝐷 ∥ 𝐴 ∧ 𝐷 ∥ 𝐵)))
36	29, 35	mpbid 147	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (𝐷 ∥ 𝐴 ∧ 𝐷 ∥ 𝐵))
37	36	ad2antrr 488	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℝ) ∧ 𝑤 < 𝐷) → (𝐷 ∥ 𝐴 ∧ 𝐷 ∥ 𝐵))
38	1	ad2antrr 488	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℝ) ∧ 𝑤 < 𝐷) → 𝐷 ∈ ℕ0)
39	38	nn0zd 9362	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℝ) ∧ 𝑤 < 𝐷) → 𝐷 ∈ ℤ)
40	33	elrab3 2894	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐷 ∈ ℤ → (𝐷 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)} ↔ (𝐷 ∥ 𝐴 ∧ 𝐷 ∥ 𝐵)))
41	39, 40	syl 14	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℝ) ∧ 𝑤 < 𝐷) → (𝐷 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)} ↔ (𝐷 ∥ 𝐴 ∧ 𝐷 ∥ 𝐵)))
42	37, 41	mpbird 167	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℝ) ∧ 𝑤 < 𝐷) → 𝐷 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)})
43		breq2 4004	. . . . . . 7 ⊢ (𝑢 = 𝐷 → (𝑤 < 𝑢 ↔ 𝑤 < 𝐷))
44	43	rspcev 2841	. . . . . 6 ⊢ ((𝐷 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)} ∧ 𝑤 < 𝐷) → ∃𝑢 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}𝑤 < 𝑢)
45	42, 44	sylancom 420	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℝ) ∧ 𝑤 < 𝐷) → ∃𝑢 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}𝑤 < 𝑢)
46	45	ex 115	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑤 ∈ ℝ) → (𝑤 < 𝐷 → ∃𝑢 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}𝑤 < 𝑢))
47	46	ralrimiva 2550	. . 3 ⊢ (𝜑 → ∀𝑤 ∈ ℝ (𝑤 < 𝐷 → ∃𝑢 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}𝑤 < 𝑢))
48		lttri3 8027	. . . . 5 ⊢ ((𝑓 ∈ ℝ ∧ 𝑔 ∈ ℝ) → (𝑓 = 𝑔 ↔ (¬ 𝑓 < 𝑔 ∧ ¬ 𝑔 < 𝑓)))
49	48	adantl 277	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑓 ∈ ℝ ∧ 𝑔 ∈ ℝ)) → (𝑓 = 𝑔 ↔ (¬ 𝑓 < 𝑔 ∧ ¬ 𝑔 < 𝑓)))
50	49	eqsupti 6989	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((𝐷 ∈ ℝ ∧ ∀𝑤 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)} ¬ 𝐷 < 𝑤 ∧ ∀𝑤 ∈ ℝ (𝑤 < 𝐷 → ∃𝑢 ∈ {𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}𝑤 < 𝑢)) → sup({𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}, ℝ, < ) = 𝐷))
51	2, 26, 47, 50	mp3and 1340	. 2 ⊢ (𝜑 → sup({𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}, ℝ, < ) = 𝐷)
52	51	eqcomd 2183	1 ⊢ (𝜑 → 𝐷 = sup({𝑧 ∈ ℤ ∣ (𝑧 ∥ 𝐴 ∧ 𝑧 ∥ 𝐵)}, ℝ, < ))

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 104   ↔ wb 105   = wceq 1353   ∈ wcel 2148  ∀wral 2455  ∃wrex 2456  {crab 2459   class class class wbr 4000  supcsup 6975  ℝcr 7801  0cc0 7802   < clt 7982   ≤ cle 7983  ℕ₀cn0 9165  ℤcz 9242   ∥ cdvds 11778

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-sep 4118  ax-pow 4171  ax-pr 4206  ax-un 4430  ax-setind 4533  ax-cnex 7893  ax-resscn 7894  ax-1cn 7895  ax-1re 7896  ax-icn 7897  ax-addcl 7898  ax-addrcl 7899  ax-mulcl 7900  ax-mulrcl 7901  ax-addcom 7902  ax-mulcom 7903  ax-addass 7904  ax-mulass 7905  ax-distr 7906  ax-i2m1 7907  ax-0lt1 7908  ax-1rid 7909  ax-0id 7910  ax-rnegex 7911  ax-precex 7912  ax-cnre 7913  ax-pre-ltirr 7914  ax-pre-ltwlin 7915  ax-pre-lttrn 7916  ax-pre-apti 7917  ax-pre-ltadd 7918  ax-pre-mulgt0 7919  ax-pre-mulext 7920

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  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 2739  df-sbc 2963  df-csb 3058  df-dif 3131  df-un 3133  df-in 3135  df-ss 3142  df-nul 3423  df-pw 3576  df-sn 3597  df-pr 3598  df-op 3600  df-uni 3808  df-int 3843  df-iun 3886  df-br 4001  df-opab 4062  df-mpt 4063  df-id 4290  df-po 4293  df-iso 4294  df-xp 4629  df-rel 4630  df-cnv 4631  df-co 4632  df-dm 4633  df-rn 4634  df-res 4635  df-ima 4636  df-iota 5174  df-fun 5214  df-fn 5215  df-f 5216  df-fv 5220  df-riota 5825  df-ov 5872  df-oprab 5873  df-mpo 5874  df-1st 6135  df-2nd 6136  df-sup 6977  df-pnf 7984  df-mnf 7985  df-xr 7986  df-ltxr 7987  df-le 7988  df-sub 8120  df-neg 8121  df-reap 8522  df-ap 8529  df-div 8619  df-inn 8909  df-n0 9166  df-z 9243  df-q 9609  df-dvds 11779

This theorem is referenced by:  dfgcd3  11994