ILE Home Intuitionistic Logic Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  ILE Home  >  Th. List  >  bpos GIF version

Theorem bpos 16337
Description: Bertrand's postulate: there is a prime between 𝑁 and 2𝑁 for every positive integer 𝑁. This proof follows Erdős's method, for the most part, but with some refinements due to Shigenori Tochiori to save us some calculations of large primes. See http://en.wikipedia.org/wiki/Proof_of_Bertrand%27s_postulate for an overview of the proof strategy. This is Metamath 100 proof #98. (Contributed by Mario Carneiro, 14-Mar-2014.)
Assertion
Ref Expression
bpos (𝑁 ∈ ℕ → ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))
Distinct variable group:   𝑁,𝑝

Proof of Theorem bpos
Dummy variables 𝑛 𝑥 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 bpos1 16327 . 2 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑁 ≤ 64) → ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))
2 eqid 2238 . . . . 5 (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((((√‘2) · ((𝑥 ∈ ℝ+ ↦ ((log‘𝑥) / 𝑥))‘(√‘𝑛))) + ((9 / 4) · ((𝑥 ∈ ℝ+ ↦ ((log‘𝑥) / 𝑥))‘(𝑛 / 2)))) + ((log‘2) / (√‘(2 · 𝑛))))) = (𝑛 ∈ ℕ ↦ ((((√‘2) · ((𝑥 ∈ ℝ+ ↦ ((log‘𝑥) / 𝑥))‘(√‘𝑛))) + ((9 / 4) · ((𝑥 ∈ ℝ+ ↦ ((log‘𝑥) / 𝑥))‘(𝑛 / 2)))) + ((log‘2) / (√‘(2 · 𝑛)))))
3 eqid 2238 . . . . 5 (𝑥 ∈ ℝ+ ↦ ((log‘𝑥) / 𝑥)) = (𝑥 ∈ ℝ+ ↦ ((log‘𝑥) / 𝑥))
4 simpll 531 . . . . 5 (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 64 < 𝑁) ∧ ¬ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))) → 𝑁 ∈ ℕ)
5 simplr 533 . . . . 5 (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 64 < 𝑁) ∧ ¬ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))) → 64 < 𝑁)
6 simpr 110 . . . . 5 (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 64 < 𝑁) ∧ ¬ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))) → ¬ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))
72, 3, 4, 5, 6bposlem9 16336 . . . 4 (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 64 < 𝑁) ∧ ¬ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))) → ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))
87, 6pm2.65da 671 . . 3 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 64 < 𝑁) → ¬ ¬ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))
9 nnz 9672 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → 𝑁 ∈ ℤ)
109peano2zd 9781 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 + 1) ∈ ℤ)
11 2z 9681 . . . . . . . . . 10 2 ∈ ℤ
1211a1i 9 . . . . . . . . 9 (𝑁 ∈ ℕ → 2 ∈ ℤ)
1312, 9zmulcld 9784 . . . . . . . 8 (𝑁 ∈ ℕ → (2 · 𝑁) ∈ ℤ)
14 elfzelz 10444 . . . . . . . . . 10 (𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) → 𝑝 ∈ ℤ)
15 prmdcz 12933 . . . . . . . . . 10 (𝑝 ∈ ℤ → DECID 𝑝 ∈ ℙ)
1614, 15syl 14 . . . . . . . . 9 (𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) → DECID 𝑝 ∈ ℙ)
1716adantl 277 . . . . . . . 8 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁))) → DECID 𝑝 ∈ ℙ)
1810, 13, 17exfzdc 10675 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → DECID ∃𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁))𝑝 ∈ ℙ)
19 ancom 266 . . . . . . . . 9 ((𝑝 ∈ ℙ ∧ 𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁))) ↔ (𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) ∧ 𝑝 ∈ ℙ))
2019rexbii2 2561 . . . . . . . 8 (∃𝑝 ∈ ℙ 𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) ↔ ∃𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁))𝑝 ∈ ℙ)
2120dcbii 852 . . . . . . 7 (DECID ∃𝑝 ∈ ℙ 𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) ↔ DECID ∃𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁))𝑝 ∈ ℙ)
2218, 21sylibr 134 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → DECID ∃𝑝 ∈ ℙ 𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)))
23 elfz2 10434 . . . . . . . . . 10 (𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) ↔ (((𝑁 + 1) ∈ ℤ ∧ (2 · 𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑝 ∈ ℤ) ∧ ((𝑁 + 1) ≤ 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))))
24 prmz 12913 . . . . . . . . . . 11 (𝑝 ∈ ℙ → 𝑝 ∈ ℤ)
25 ibar 301 . . . . . . . . . . 11 (((𝑁 + 1) ∈ ℤ ∧ (2 · 𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑝 ∈ ℤ) → (((𝑁 + 1) ≤ 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)) ↔ (((𝑁 + 1) ∈ ℤ ∧ (2 · 𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑝 ∈ ℤ) ∧ ((𝑁 + 1) ≤ 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))))
2610, 13, 24, 25syl2an3an 1339 . . . . . . . . . 10 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (((𝑁 + 1) ≤ 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)) ↔ (((𝑁 + 1) ∈ ℤ ∧ (2 · 𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑝 ∈ ℤ) ∧ ((𝑁 + 1) ≤ 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))))
2723, 26bitr4id 199 . . . . . . . . 9 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) ↔ ((𝑁 + 1) ≤ 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))))
28 prmnn 12912 . . . . . . . . . . 11 (𝑝 ∈ ℙ → 𝑝 ∈ ℕ)
29 nnltp1le 9714 . . . . . . . . . . 11 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑝 ∈ ℕ) → (𝑁 < 𝑝 ↔ (𝑁 + 1) ≤ 𝑝))
3028, 29sylan2 286 . . . . . . . . . 10 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (𝑁 < 𝑝 ↔ (𝑁 + 1) ≤ 𝑝))
3130anbi1d 469 . . . . . . . . 9 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → ((𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)) ↔ ((𝑁 + 1) ≤ 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))))
3227, 31bitr4d 191 . . . . . . . 8 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) ↔ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))))
3332rexbidva 2547 . . . . . . 7 (𝑁 ∈ ℕ → (∃𝑝 ∈ ℙ 𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) ↔ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))))
3433dcbid 850 . . . . . 6 (𝑁 ∈ ℕ → (DECID ∃𝑝 ∈ ℙ 𝑝 ∈ ((𝑁 + 1)...(2 · 𝑁)) ↔ DECID ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))))
3522, 34mpbid 147 . . . . 5 (𝑁 ∈ ℕ → DECID ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))
36 notnotrdc 855 . . . . 5 (DECID ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)) → (¬ ¬ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)) → ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))))
3735, 36syl 14 . . . 4 (𝑁 ∈ ℕ → (¬ ¬ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)) → ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))))
3837adantr 276 . . 3 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 64 < 𝑁) → (¬ ¬ ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)) → ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁))))
398, 38mpd 13 . 2 ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 64 < 𝑁) → ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))
40 6nn0 9595 . . . . 5 6 ∈ ℕ0
41 4nn0 9593 . . . . 5 4 ∈ ℕ0
4240, 41deccl 9801 . . . 4 64 ∈ ℕ0
4342nn0zi 9675 . . 3 64 ∈ ℤ
44 zlelttric 9698 . . 3 ((𝑁 ∈ ℤ ∧ 64 ∈ ℤ) → (𝑁 ≤ 64 ∨ 64 < 𝑁))
459, 43, 44sylancl 417 . 2 (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 ≤ 64 ∨ 64 < 𝑁))
461, 39, 45mpjaodan 810 1 (𝑁 ∈ ℕ → ∃𝑝 ∈ ℙ (𝑁 < 𝑝 ∧ 𝑝 ≤ (2 · 𝑁)))
Colors of variables:    wff set class
This proof depends on syntax axioms:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 104   ↔ wb 105   ∨ wo 720  DECID wdc 846   ∧ w3a 1009   ∈ wcel 2209  ∃wrex 2529   class class class wbr 4131   ↦ cmpt 4193  ‘cfv 5380  (class class class)co 6088  1c1 8186   + caddc 8188   · cmul 8190   < clt 8366   ≤ cle 8367   / cdiv 9010  ℕcn 9313  2c2 9364  4c4 9366  6c6 9368  9c9 9371  ℤcz 9653  cdc 9787  ℝ+crp 10070  ...cfz 10427  √csqrt 11783  ℙcprime 12909  logclog 16102
This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 623  ax-in2 624  ax-io 721  ax-5 1500  ax-7 1501  ax-gen 1502  ax-ie1 1546  ax-ie2 1547  ax-8 1557  ax-10 1558  ax-11 1559  ax-i12 1560  ax-bndl 1562  ax-4 1563  ax-17 1579  ax-i9 1583  ax-ial 1587  ax-i5r 1588  ax-14 2212  ax-ext 2220  ax-coll 4248  ax-sep 4251  ax-nul 4261  ax-pow 4313  ax-pr 4348  ax-un 4580  ax-setind 4686  ax-iinf 4737  ax-cnex 8276  ax-resscn 8277  ax-1cn 8278  ax-1re 8279  ax-icn 8280  ax-addcl 8281  ax-addrcl 8282  ax-mulcl 8283  ax-mulrcl 8284  ax-addcom 8285  ax-mulcom 8286  ax-addass 8287  ax-mulass 8288  ax-distr 8289  ax-i2m1 8290  ax-0lt1 8291  ax-1rid 8292  ax-0id 8293  ax-rnegex 8294  ax-precex 8295  ax-cnre 8296  ax-pre-ltirr 8297  ax-pre-ltwlin 8298  ax-pre-lttrn 8299  ax-pre-apti 8300  ax-pre-ltadd 8301  ax-pre-mulgt0 8302  ax-pre-mulext 8303  ax-arch 8304  ax-caucvg 8305  ax-pre-suploc 8306  ax-addf 8307  ax-mulf 8308
This proof depends on definitions:  df-bi 117  df-stab 843  df-dc 847  df-3or 1010  df-3an 1011  df-tru 1405  df-fal 1408  df-xor 1425  df-nf 1514  df-sb 1816  df-eu 2089  df-mo 2090  df-clab 2225  df-cleq 2231  df-clel 2234  df-nfc 2381  df-ne 2421  df-nel 2516  df-ral 2533  df-rex 2534  df-reu 2535  df-rmo 2536  df-rab 2537  df-v 2823  df-sbc 3052  df-csb 3148  df-dif 3222  df-un 3224  df-in 3226  df-ss 3233  df-nul 3521  df-if 3639  df-pw 3690  df-sn 3715  df-pr 3716  df-op 3718  df-uni 3936  df-int 3971  df-iun 4014  df-disj 4107  df-br 4132  df-opab 4194  df-mpt 4195  df-tr 4232  df-id 4440  df-po 4443  df-iso 4444  df-iord 4513  df-on 4515  df-ilim 4516  df-suc 4518  df-iom 4740  df-xp 4782  df-rel 4783  df-cnv 4784  df-co 4785  df-dm 4786  df-rn 4787  df-res 4788  df-ima 4789  df-iota 5340  df-fun 5382  df-fn 5383  df-f 5384  df-f1 5385  df-fo 5386  df-f1o 5387  df-fv 5388  df-isom 5389  df-riota 6041  df-ov 6091  df-oprab 6092  df-mpo 6093  df-of 6305  df-1st 6378  df-2nd 6379  df-recs 6581  df-irdg 6646  df-frec 6667  df-1o 6692  df-2o 6693  df-oadd 6696  df-er 6812  df-map 6929  df-pm 6930  df-en 7029  df-dom 7030  df-fin 7031  df-sup 7330  df-inf 7331  df-pnf 8368  df-mnf 8369  df-xr 8370  df-ltxr 8371  df-le 8372  df-sub 8506  df-neg 8507  df-reap 8911  df-ap 8918  df-div 9011  df-inn 9314  df-2 9372  df-3 9373  df-4 9374  df-5 9375  df-6 9376  df-7 9377  df-8 9378  df-9 9379  df-n0 9575  df-xnn0 9640  df-z 9654  df-dec 9788  df-uz 9937  df-q 10035  df-rp 10071  df-xneg 10190  df-xadd 10191  df-ioo 10310  df-ico 10312  df-icc 10313  df-fz 10428  df-fzo 10566  df-fl 10721  df-mod 10780  df-seqfrec 10905  df-exp 10996  df-fac 11185  df-bc 11207  df-ihash 11236  df-shft 11601  df-cj 11628  df-re 11629  df-im 11630  df-rsqrt 11785  df-abs 11786  df-clim 12069  df-sumdc 12144  df-ef 12439  df-e 12440  df-dvds 12579  df-gcd 12755  df-prm 12910  df-numer 12987  df-denom 12988  df-pc 13092  df-rest 13653  df-topgen 13672  df-psmet 14988  df-xmet 14989  df-met 14990  df-bl 14991  df-mopn 14992  df-top 15241  df-topon 15254  df-bases 15286  df-ntr 15339  df-cn 15431  df-cnp 15432  df-tx 15496  df-cncf 15814  df-limced 15899  df-dvap 15900  df-relog 16104  df-rpcxp 16105  df-logb 16197  df-cht 16253  df-ppi 16254
This theorem is used by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator