qdiff - Mathbox for Jim Kingdon

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Theorem qdiff 16679

Description: The rationals are exactly those reals for which there exist two distinct rationals that are the same distance from the original number. Similar to apdiff 16678 but by stating the result positively we can completely sidestep the issue of not equal versus apart in the statement of the result. From an online post by Ingo Blechschmidt. (Contributed by Jim Kingdon, 24-Apr-2026.)

**Assertion**
Ref	Expression
qdiff	⊢ (𝐴 ∈ ℝ → (𝐴 ∈ ℚ ↔ ∃𝑞 ∈ ℚ ∃𝑟 ∈ ℚ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))))

Distinct variable group: 𝐴,𝑞,𝑟

**Proof of Theorem qdiff**
Step	Hyp	Ref	Expression
1		1z 9505	. . . . 5 ⊢ 1 ∈ ℤ
2		zq 9860	. . . . 5 ⊢ (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℚ)
3	1, 2	ax-mp 5	. . . 4 ⊢ 1 ∈ ℚ
4		qsubcl 9872	. . . 4 ⊢ ((𝐴 ∈ ℚ ∧ 1 ∈ ℚ) → (𝐴 − 1) ∈ ℚ)
5	3, 4	mpan2 425	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (𝐴 − 1) ∈ ℚ)
6		qaddcl 9869	. . . . 5 ⊢ ((𝐴 ∈ ℚ ∧ 1 ∈ ℚ) → (𝐴 + 1) ∈ ℚ)
7	3, 6	mpan2 425	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (𝐴 + 1) ∈ ℚ)
8		qre 9859	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → 𝐴 ∈ ℝ)
9		1rp 9892	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ 1 ∈ ℝ⁺
10	9, 9	pm3.2i 272	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (1 ∈ ℝ⁺ ∧ 1 ∈ ℝ⁺)
11		rpaddcl 9912	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((1 ∈ ℝ⁺ ∧ 1 ∈ ℝ⁺) → (1 + 1) ∈ ℝ⁺)
12	10, 11	mp1i 10	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (1 + 1) ∈ ℝ⁺)
13	8, 12	ltaddrpd 9965	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → 𝐴 < (𝐴 + (1 + 1)))
14	8, 13	ltned 8293	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → 𝐴 ≠ (𝐴 + (1 + 1)))
15	14	neneqd 2423	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ¬ 𝐴 = (𝐴 + (1 + 1)))
16	15	neqcomd 2236	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ¬ (𝐴 + (1 + 1)) = 𝐴)
17		qcn 9868	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → 𝐴 ∈ ℂ)
18		1cnd 8195	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → 1 ∈ ℂ)
19	17, 18, 18	addassd 8202	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ((𝐴 + 1) + 1) = (𝐴 + (1 + 1)))
20	19	eqeq1d 2240	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (((𝐴 + 1) + 1) = 𝐴 ↔ (𝐴 + (1 + 1)) = 𝐴))
21	16, 20	mtbird 679	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ¬ ((𝐴 + 1) + 1) = 𝐴)
22	17, 18	addcld 8199	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (𝐴 + 1) ∈ ℂ)
23	17, 18, 22	subadd2d 8509	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ((𝐴 − 1) = (𝐴 + 1) ↔ ((𝐴 + 1) + 1) = 𝐴))
24	21, 23	mtbird 679	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ¬ (𝐴 − 1) = (𝐴 + 1))
25	24	neqned 2409	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (𝐴 − 1) ≠ (𝐴 + 1))
26	18	absnegd 11754	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (abs‘-1) = (abs‘1))
27	17, 17, 18	subsub4d 8521	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ((𝐴 − 𝐴) − 1) = (𝐴 − (𝐴 + 1)))
28	17	subidd 8478	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (𝐴 − 𝐴) = 0)
29	28	oveq1d 6033	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ((𝐴 − 𝐴) − 1) = (0 − 1))
30		df-neg 8353	. . . . . . . 8 ⊢ -1 = (0 − 1)
31	29, 30	eqtr4di 2282	. . . . . . 7 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ((𝐴 − 𝐴) − 1) = -1)
32	27, 31	eqtr3d 2266	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (𝐴 − (𝐴 + 1)) = -1)
33	32	fveq2d 5643	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (abs‘(𝐴 − (𝐴 + 1))) = (abs‘-1))
34	17, 18	nncand 8495	. . . . . 6 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (𝐴 − (𝐴 − 1)) = 1)
35	34	fveq2d 5643	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘1))
36	26, 33, 35	3eqtr4rd 2275	. . . 4 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − (𝐴 + 1))))
37		neeq2 2416	. . . . . 6 ⊢ (𝑟 = (𝐴 + 1) → ((𝐴 − 1) ≠ 𝑟 ↔ (𝐴 − 1) ≠ (𝐴 + 1)))
38		oveq2 6026	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑟 = (𝐴 + 1) → (𝐴 − 𝑟) = (𝐴 − (𝐴 + 1)))
39	38	fveq2d 5643	. . . . . . 7 ⊢ (𝑟 = (𝐴 + 1) → (abs‘(𝐴 − 𝑟)) = (abs‘(𝐴 − (𝐴 + 1))))
40	39	eqeq2d 2243	. . . . . 6 ⊢ (𝑟 = (𝐴 + 1) → ((abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)) ↔ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − (𝐴 + 1)))))
41	37, 40	anbi12d 473	. . . . 5 ⊢ (𝑟 = (𝐴 + 1) → (((𝐴 − 1) ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))) ↔ ((𝐴 − 1) ≠ (𝐴 + 1) ∧ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − (𝐴 + 1))))))
42	41	rspcev 2910	. . . 4 ⊢ (((𝐴 + 1) ∈ ℚ ∧ ((𝐴 − 1) ≠ (𝐴 + 1) ∧ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − (𝐴 + 1))))) → ∃𝑟 ∈ ℚ ((𝐴 − 1) ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))))
43	7, 25, 36, 42	syl12anc 1271	. . 3 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ∃𝑟 ∈ ℚ ((𝐴 − 1) ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))))
44		neeq1 2415	. . . . . 6 ⊢ (𝑞 = (𝐴 − 1) → (𝑞 ≠ 𝑟 ↔ (𝐴 − 1) ≠ 𝑟))
45		oveq2 6026	. . . . . . 7 ⊢ (𝑞 = (𝐴 − 1) → (𝐴 − 𝑞) = (𝐴 − (𝐴 − 1)))
46	45	fveqeq2d 5647	. . . . . 6 ⊢ (𝑞 = (𝐴 − 1) → ((abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)) ↔ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))))
47	44, 46	anbi12d 473	. . . . 5 ⊢ (𝑞 = (𝐴 − 1) → ((𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))) ↔ ((𝐴 − 1) ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))))
48	47	rexbidv 2533	. . . 4 ⊢ (𝑞 = (𝐴 − 1) → (∃𝑟 ∈ ℚ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))) ↔ ∃𝑟 ∈ ℚ ((𝐴 − 1) ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))))
49	48	rspcev 2910	. . 3 ⊢ (((𝐴 − 1) ∈ ℚ ∧ ∃𝑟 ∈ ℚ ((𝐴 − 1) ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − (𝐴 − 1))) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ∃𝑞 ∈ ℚ ∃𝑟 ∈ ℚ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))))
50	5, 43, 49	syl2anc 411	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ ℚ → ∃𝑞 ∈ ℚ ∃𝑟 ∈ ℚ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))))
51		2cnd 9216	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 2 ∈ ℂ)
52		simpll 527	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝐴 ∈ ℝ)
53	52	recnd 8208	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝐴 ∈ ℂ)
54		simplrl 537	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝑞 ∈ ℚ)
55		qre 9859	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑞 ∈ ℚ → 𝑞 ∈ ℝ)
56	54, 55	syl 14	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝑞 ∈ ℝ)
57	56	recnd 8208	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝑞 ∈ ℂ)
58	53, 57	mulcld 8200	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝐴 · 𝑞) ∈ ℂ)
59		simplrr 538	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝑟 ∈ ℚ)
60		qre 9859	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝑟 ∈ ℚ → 𝑟 ∈ ℝ)
61	59, 60	syl 14	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝑟 ∈ ℝ)
62	61	recnd 8208	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝑟 ∈ ℂ)
63	53, 62	mulcld 8200	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝐴 · 𝑟) ∈ ℂ)
64	51, 58, 63	subdid 8593	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (2 · ((𝐴 · 𝑞) − (𝐴 · 𝑟))) = ((2 · (𝐴 · 𝑞)) − (2 · (𝐴 · 𝑟))))
65	53	sqcld 10934	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝐴↑2) ∈ ℂ)
66	51, 63	mulcld 8200	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (2 · (𝐴 · 𝑟)) ∈ ℂ)
67	51, 58	mulcld 8200	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (2 · (𝐴 · 𝑞)) ∈ ℂ)
68	65, 66, 67	nnncan1d 8524	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑟))) − ((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑞)))) = ((2 · (𝐴 · 𝑞)) − (2 · (𝐴 · 𝑟))))
69		simprr 533	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))
70	52, 56	resubcld 8560	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝐴 − 𝑞) ∈ ℝ)
71	52, 61	resubcld 8560	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝐴 − 𝑟) ∈ ℝ)
72		sqabs 11647	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐴 − 𝑞) ∈ ℝ ∧ (𝐴 − 𝑟) ∈ ℝ) → (((𝐴 − 𝑞)↑2) = ((𝐴 − 𝑟)↑2) ↔ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))))
73	70, 71, 72	syl2anc 411	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (((𝐴 − 𝑞)↑2) = ((𝐴 − 𝑟)↑2) ↔ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))))
74	69, 73	mpbird 167	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((𝐴 − 𝑞)↑2) = ((𝐴 − 𝑟)↑2))
75		binom2sub 10916	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑞 ∈ ℂ) → ((𝐴 − 𝑞)↑2) = (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑞))) + (𝑞↑2)))
76	53, 57, 75	syl2anc 411	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((𝐴 − 𝑞)↑2) = (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑞))) + (𝑞↑2)))
77		binom2sub 10916	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝐴 ∈ ℂ ∧ 𝑟 ∈ ℂ) → ((𝐴 − 𝑟)↑2) = (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑟))) + (𝑟↑2)))
78	53, 62, 77	syl2anc 411	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((𝐴 − 𝑟)↑2) = (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑟))) + (𝑟↑2)))
79	74, 76, 78	3eqtr3d 2272	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑞))) + (𝑞↑2)) = (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑟))) + (𝑟↑2)))
80	65, 67	subcld 8490	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑞))) ∈ ℂ)
81	57	sqcld 10934	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝑞↑2) ∈ ℂ)
82	65, 66	subcld 8490	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑟))) ∈ ℂ)
83	62	sqcld 10934	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝑟↑2) ∈ ℂ)
84	80, 81, 82, 83	addsubeq4d 8541	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑞))) + (𝑞↑2)) = (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑟))) + (𝑟↑2)) ↔ (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑟))) − ((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑞)))) = ((𝑞↑2) − (𝑟↑2))))
85	79, 84	mpbid 147	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑟))) − ((𝐴↑2) − (2 · (𝐴 · 𝑞)))) = ((𝑞↑2) − (𝑟↑2)))
86	64, 68, 85	3eqtr2d 2270	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (2 · ((𝐴 · 𝑞) − (𝐴 · 𝑟))) = ((𝑞↑2) − (𝑟↑2)))
87	81, 83	subcld 8490	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) ∈ ℂ)
88	58, 63	subcld 8490	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((𝐴 · 𝑞) − (𝐴 · 𝑟)) ∈ ℂ)
89		2ap0 9236	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 # 0
90	89	a1i 9	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 2 # 0)
91	87, 51, 88, 90	divmulapd 8992	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) = ((𝐴 · 𝑞) − (𝐴 · 𝑟)) ↔ (2 · ((𝐴 · 𝑞) − (𝐴 · 𝑟))) = ((𝑞↑2) − (𝑟↑2))))
92	86, 91	mpbird 167	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) = ((𝐴 · 𝑞) − (𝐴 · 𝑟)))
93	53, 57, 62	subdid 8593	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝐴 · (𝑞 − 𝑟)) = ((𝐴 · 𝑞) − (𝐴 · 𝑟)))
94	92, 93	eqtr4d 2267	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) = (𝐴 · (𝑞 − 𝑟)))
95	87	halfcld 9389	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) ∈ ℂ)
96	57, 62	subcld 8490	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝑞 − 𝑟) ∈ ℂ)
97		simprl 531	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝑞 ≠ 𝑟)
98	57, 62, 97	subne0d 8499	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝑞 − 𝑟) ≠ 0)
99		qsubcl 9872	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ) → (𝑞 − 𝑟) ∈ ℚ)
100	54, 59, 99	syl2anc 411	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝑞 − 𝑟) ∈ ℚ)
101		0z 9490	. . . . . . . . . 10 ⊢ 0 ∈ ℤ
102		zq 9860	. . . . . . . . . 10 ⊢ (0 ∈ ℤ → 0 ∈ ℚ)
103	101, 102	mp1i 10	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 0 ∈ ℚ)
104		qapne 9873	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑞 − 𝑟) ∈ ℚ ∧ 0 ∈ ℚ) → ((𝑞 − 𝑟) # 0 ↔ (𝑞 − 𝑟) ≠ 0))
105	100, 103, 104	syl2anc 411	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((𝑞 − 𝑟) # 0 ↔ (𝑞 − 𝑟) ≠ 0))
106	98, 105	mpbird 167	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝑞 − 𝑟) # 0)
107	95, 53, 96, 106	divmulap3d 9005	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (((((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) / (𝑞 − 𝑟)) = 𝐴 ↔ (((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) = (𝐴 · (𝑞 − 𝑟))))
108	94, 107	mpbird 167	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) / (𝑞 − 𝑟)) = 𝐴)
109		qsqcl 10874	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑞 ∈ ℚ → (𝑞↑2) ∈ ℚ)
110	54, 109	syl 14	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝑞↑2) ∈ ℚ)
111		qsqcl 10874	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑟 ∈ ℚ → (𝑟↑2) ∈ ℚ)
112	59, 111	syl 14	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (𝑟↑2) ∈ ℚ)
113		qsubcl 9872	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝑞↑2) ∈ ℚ ∧ (𝑟↑2) ∈ ℚ) → ((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) ∈ ℚ)
114	110, 112, 113	syl2anc 411	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) ∈ ℚ)
115		2z 9507	. . . . . . . 8 ⊢ 2 ∈ ℤ
116		zq 9860	. . . . . . . 8 ⊢ (2 ∈ ℤ → 2 ∈ ℚ)
117	115, 116	mp1i 10	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 2 ∈ ℚ)
118		2ne0 9235	. . . . . . . 8 ⊢ 2 ≠ 0
119	118	a1i 9	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 2 ≠ 0)
120		qdivcl 9877	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) ∈ ℚ ∧ 2 ∈ ℚ ∧ 2 ≠ 0) → (((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) ∈ ℚ)
121	114, 117, 119, 120	syl3anc 1273	. . . . . 6 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → (((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) ∈ ℚ)
122		qdivcl 9877	. . . . . 6 ⊢ (((((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) ∈ ℚ ∧ (𝑞 − 𝑟) ∈ ℚ ∧ (𝑞 − 𝑟) ≠ 0) → ((((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) / (𝑞 − 𝑟)) ∈ ℚ)
123	121, 100, 98, 122	syl3anc 1273	. . . . 5 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → ((((𝑞↑2) − (𝑟↑2)) / 2) / (𝑞 − 𝑟)) ∈ ℚ)
124	108, 123	eqeltrrd 2309	. . . 4 ⊢ (((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) ∧ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))) → 𝐴 ∈ ℚ)
125	124	ex 115	. . 3 ⊢ ((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑞 ∈ ℚ ∧ 𝑟 ∈ ℚ)) → ((𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))) → 𝐴 ∈ ℚ))
126	125	rexlimdvva 2658	. 2 ⊢ (𝐴 ∈ ℝ → (∃𝑞 ∈ ℚ ∃𝑟 ∈ ℚ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟))) → 𝐴 ∈ ℚ))
127	50, 126	impbid2 143	1 ⊢ (𝐴 ∈ ℝ → (𝐴 ∈ ℚ ↔ ∃𝑞 ∈ ℚ ∃𝑟 ∈ ℚ (𝑞 ≠ 𝑟 ∧ (abs‘(𝐴 − 𝑞)) = (abs‘(𝐴 − 𝑟)))))

Colors of variables: wff set class

Syntax hints: → wi 4 ∧ wa 104 ↔ wb 105 = wceq 1397 ∈ wcel 2202 ≠ wne 2402 ∃wrex 2511 class class class wbr 4088 ‘cfv 5326 (class class class)co 6018 ℂcc 8030 ℝcr 8031 0cc0 8032 1c1 8033 + caddc 8035 · cmul 8037 − cmin 8350 -cneg 8351 # cap 8761 / cdiv 8852 2c2 9194 ℤcz 9479 ℚcq 9853 ℝ⁺crp 9888 ↑cexp 10801 abscabs 11562

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 619 ax-in2 620 ax-io 716 ax-5 1495 ax-7 1496 ax-gen 1497 ax-ie1 1541 ax-ie2 1542 ax-8 1552 ax-10 1553 ax-11 1554 ax-i12 1555 ax-bndl 1557 ax-4 1558 ax-17 1574 ax-i9 1578 ax-ial 1582 ax-i5r 1583 ax-13 2204 ax-14 2205 ax-ext 2213 ax-coll 4204 ax-sep 4207 ax-nul 4215 ax-pow 4264 ax-pr 4299 ax-un 4530 ax-setind 4635 ax-iinf 4686 ax-cnex 8123 ax-resscn 8124 ax-1cn 8125 ax-1re 8126 ax-icn 8127 ax-addcl 8128 ax-addrcl 8129 ax-mulcl 8130 ax-mulrcl 8131 ax-addcom 8132 ax-mulcom 8133 ax-addass 8134 ax-mulass 8135 ax-distr 8136 ax-i2m1 8137 ax-0lt1 8138 ax-1rid 8139 ax-0id 8140 ax-rnegex 8141 ax-precex 8142 ax-cnre 8143 ax-pre-ltirr 8144 ax-pre-ltwlin 8145 ax-pre-lttrn 8146 ax-pre-apti 8147 ax-pre-ltadd 8148 ax-pre-mulgt0 8149 ax-pre-mulext 8150 ax-arch 8151 ax-caucvg 8152

This theorem depends on definitions: df-bi 117 df-dc 842 df-3or 1005 df-3an 1006 df-tru 1400 df-fal 1403 df-nf 1509 df-sb 1811 df-eu 2082 df-mo 2083 df-clab 2218 df-cleq 2224 df-clel 2227 df-nfc 2363 df-ne 2403 df-nel 2498 df-ral 2515 df-rex 2516 df-reu 2517 df-rmo 2518 df-rab 2519 df-v 2804 df-sbc 3032 df-csb 3128 df-dif 3202 df-un 3204 df-in 3206 df-ss 3213 df-nul 3495 df-if 3606 df-pw 3654 df-sn 3675 df-pr 3676 df-op 3678 df-uni 3894 df-int 3929 df-iun 3972 df-br 4089 df-opab 4151 df-mpt 4152 df-tr 4188 df-id 4390 df-po 4393 df-iso 4394 df-iord 4463 df-on 4465 df-ilim 4466 df-suc 4468 df-iom 4689 df-xp 4731 df-rel 4732 df-cnv 4733 df-co 4734 df-dm 4735 df-rn 4736 df-res 4737 df-ima 4738 df-iota 5286 df-fun 5328 df-fn 5329 df-f 5330 df-f1 5331 df-fo 5332 df-f1o 5333 df-fv 5334 df-riota 5971 df-ov 6021 df-oprab 6022 df-mpo 6023 df-1st 6303 df-2nd 6304 df-recs 6471 df-frec 6557 df-pnf 8216 df-mnf 8217 df-xr 8218 df-ltxr 8219 df-le 8220 df-sub 8352 df-neg 8353 df-reap 8755 df-ap 8762 df-div 8853 df-inn 9144 df-2 9202 df-3 9203 df-4 9204 df-n0 9403 df-z 9480 df-uz 9756 df-q 9854 df-rp 9889 df-seqfrec 10711 df-exp 10802 df-cj 11407 df-re 11408 df-im 11409 df-rsqrt 11563 df-abs 11564

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