Theorem reumodprminv 12518

Description: For any prime number and for any positive integer less than this prime number, there is a unique modular inverse of this positive integer. (Contributed by Alexander van der Vekens, 12-May-2018.)

Assertion

Ref	Expression
reumodprminv	⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1..^𝑃)) → ∃!𝑖 ∈ (1...(𝑃 − 1))((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = 1)

Distinct variable groups:   𝑖,𝑁   𝑃,𝑖

Proof of Theorem reumodprminv

Dummy variable 𝑠 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		simpl 109	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1..^𝑃)) → 𝑃 ∈ ℙ)
2		elfzoelz 10268	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ (1..^𝑃) → 𝑁 ∈ ℤ)
3	2	adantl 277	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1..^𝑃)) → 𝑁 ∈ ℤ)
4		prmnn 12374	. . . . 5 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
5		prmz 12375	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℤ)
6		fzoval 10269	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑃 ∈ ℤ → (1..^𝑃) = (1...(𝑃 − 1)))
7	5, 6	syl 14	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → (1..^𝑃) = (1...(𝑃 − 1)))
8	7	eleq2d 2274	. . . . . 6 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → (𝑁 ∈ (1..^𝑃) ↔ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))))
9	8	biimpa 296	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1..^𝑃)) → 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1)))
10		fzm1ndvds 12109	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ¬ 𝑃 ∥ 𝑁)
11	4, 9, 10	syl2an2r 595	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1..^𝑃)) → ¬ 𝑃 ∥ 𝑁)
12		eqid 2204	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)
13	12	modprminv 12514	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) → (((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ ((𝑁 · ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)) mod 𝑃) = 1))
14	13	simpld 112	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) ∈ (1...(𝑃 − 1)))
15	13	simprd 114	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) → ((𝑁 · ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)) mod 𝑃) = 1)
16		1eluzge0 9694	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 1 ∈ (ℤ≥‘0)
17		fzss1 10184	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (1 ∈ (ℤ≥‘0) → (1...(𝑃 − 1)) ⊆ (0...(𝑃 − 1)))
18	16, 17	mp1i 10	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → (1...(𝑃 − 1)) ⊆ (0...(𝑃 − 1)))
19	18	sseld 3191	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → (𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1)) → 𝑠 ∈ (0...(𝑃 − 1))))
20	19	3ad2ant1 1020	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) → (𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1)) → 𝑠 ∈ (0...(𝑃 − 1))))
21	20	imdistani 445	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) ∧ 𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) ∧ 𝑠 ∈ (0...(𝑃 − 1))))
22	12	modprminveq 12515	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) → ((𝑠 ∈ (0...(𝑃 − 1)) ∧ ((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1) ↔ 𝑠 = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)))
23	22	biimpa 296	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) ∧ (𝑠 ∈ (0...(𝑃 − 1)) ∧ ((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1)) → 𝑠 = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃))
24	23	eqcomd 2210	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) ∧ (𝑠 ∈ (0...(𝑃 − 1)) ∧ ((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1)) → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠)
25	24	expr 375	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) ∧ 𝑠 ∈ (0...(𝑃 − 1))) → (((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠))
26	21, 25	syl 14	. . . . . 6 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) ∧ 𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠))
27	26	ralrimiva 2578	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) → ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠))
28	14, 15, 27	jca32 310	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ¬ 𝑃 ∥ 𝑁) → (((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ (((𝑁 · ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)) mod 𝑃) = 1 ∧ ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠))))
29	1, 3, 11, 28	syl3anc 1249	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1..^𝑃)) → (((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ (((𝑁 · ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)) mod 𝑃) = 1 ∧ ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠))))
30		oveq2 5951	. . . . . . 7 ⊢ (𝑖 = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) → (𝑁 · 𝑖) = (𝑁 · ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)))
31	30	oveq1d 5958	. . . . . 6 ⊢ (𝑖 = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) → ((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = ((𝑁 · ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)) mod 𝑃))
32	31	eqeq1d 2213	. . . . 5 ⊢ (𝑖 = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) → (((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = 1 ↔ ((𝑁 · ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)) mod 𝑃) = 1))
33		eqeq1 2211	. . . . . . 7 ⊢ (𝑖 = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) → (𝑖 = 𝑠 ↔ ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠))
34	33	imbi2d 230	. . . . . 6 ⊢ (𝑖 = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) → ((((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → 𝑖 = 𝑠) ↔ (((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠)))
35	34	ralbidv 2505	. . . . 5 ⊢ (𝑖 = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) → (∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → 𝑖 = 𝑠) ↔ ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠)))
36	32, 35	anbi12d 473	. . . 4 ⊢ (𝑖 = ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) → ((((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = 1 ∧ ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → 𝑖 = 𝑠)) ↔ (((𝑁 · ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)) mod 𝑃) = 1 ∧ ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠))))
37	36	rspcev 2876	. . 3 ⊢ ((((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) ∈ (1...(𝑃 − 1)) ∧ (((𝑁 · ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃)) mod 𝑃) = 1 ∧ ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → ((𝑁↑(𝑃 − 2)) mod 𝑃) = 𝑠))) → ∃𝑖 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = 1 ∧ ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → 𝑖 = 𝑠)))
38	29, 37	syl 14	. 2 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1..^𝑃)) → ∃𝑖 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = 1 ∧ ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → 𝑖 = 𝑠)))
39		oveq2 5951	. . . . 5 ⊢ (𝑖 = 𝑠 → (𝑁 · 𝑖) = (𝑁 · 𝑠))
40	39	oveq1d 5958	. . . 4 ⊢ (𝑖 = 𝑠 → ((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = ((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃))
41	40	eqeq1d 2213	. . 3 ⊢ (𝑖 = 𝑠 → (((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = 1 ↔ ((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1))
42	41	reu8 2968	. 2 ⊢ (∃!𝑖 ∈ (1...(𝑃 − 1))((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = 1 ↔ ∃𝑖 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = 1 ∧ ∀𝑠 ∈ (1...(𝑃 − 1))(((𝑁 · 𝑠) mod 𝑃) = 1 → 𝑖 = 𝑠)))
43	38, 42	sylibr 134	1 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1..^𝑃)) → ∃!𝑖 ∈ (1...(𝑃 − 1))((𝑁 · 𝑖) mod 𝑃) = 1)

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 104   ∧ w3a 980   = wceq 1372   ∈ wcel 2175  ∀wral 2483  ∃wrex 2484  ∃!wreu 2485   ⊆ wss 3165   class class class wbr 4043  ‘cfv 5270  (class class class)co 5943  0cc0 7924  1c1 7925   · cmul 7929   − cmin 8242  ℕcn 9035  2c2 9086  ℤcz 9371  ℤ_≥cuz 9647  ...cfz 10129  ..^cfzo 10263   mod cmo 10465  ↑cexp 10681   ∥ cdvds 12040  ℙcprime 12371

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 615  ax-in2 616  ax-io 710  ax-5 1469  ax-7 1470  ax-gen 1471  ax-ie1 1515  ax-ie2 1516  ax-8 1526  ax-10 1527  ax-11 1528  ax-i12 1529  ax-bndl 1531  ax-4 1532  ax-17 1548  ax-i9 1552  ax-ial 1556  ax-i5r 1557  ax-13 2177  ax-14 2178  ax-ext 2186  ax-coll 4158  ax-sep 4161  ax-nul 4169  ax-pow 4217  ax-pr 4252  ax-un 4479  ax-setind 4584  ax-iinf 4635  ax-cnex 8015  ax-resscn 8016  ax-1cn 8017  ax-1re 8018  ax-icn 8019  ax-addcl 8020  ax-addrcl 8021  ax-mulcl 8022  ax-mulrcl 8023  ax-addcom 8024  ax-mulcom 8025  ax-addass 8026  ax-mulass 8027  ax-distr 8028  ax-i2m1 8029  ax-0lt1 8030  ax-1rid 8031  ax-0id 8032  ax-rnegex 8033  ax-precex 8034  ax-cnre 8035  ax-pre-ltirr 8036  ax-pre-ltwlin 8037  ax-pre-lttrn 8038  ax-pre-apti 8039  ax-pre-ltadd 8040  ax-pre-mulgt0 8041  ax-pre-mulext 8042  ax-arch 8043  ax-caucvg 8044

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-stab 832  df-dc 836  df-3or 981  df-3an 982  df-tru 1375  df-fal 1378  df-nf 1483  df-sb 1785  df-eu 2056  df-mo 2057  df-clab 2191  df-cleq 2197  df-clel 2200  df-nfc 2336  df-ne 2376  df-nel 2471  df-ral 2488  df-rex 2489  df-reu 2490  df-rmo 2491  df-rab 2492  df-v 2773  df-sbc 2998  df-csb 3093  df-dif 3167  df-un 3169  df-in 3171  df-ss 3178  df-nul 3460  df-if 3571  df-pw 3617  df-sn 3638  df-pr 3639  df-op 3641  df-uni 3850  df-int 3885  df-iun 3928  df-br 4044  df-opab 4105  df-mpt 4106  df-tr 4142  df-id 4339  df-po 4342  df-iso 4343  df-iord 4412  df-on 4414  df-ilim 4415  df-suc 4417  df-iom 4638  df-xp 4680  df-rel 4681  df-cnv 4682  df-co 4683  df-dm 4684  df-rn 4685  df-res 4686  df-ima 4687  df-iota 5231  df-fun 5272  df-fn 5273  df-f 5274  df-f1 5275  df-fo 5276  df-f1o 5277  df-fv 5278  df-isom 5279  df-riota 5898  df-ov 5946  df-oprab 5947  df-mpo 5948  df-1st 6225  df-2nd 6226  df-recs 6390  df-irdg 6455  df-frec 6476  df-1o 6501  df-2o 6502  df-oadd 6505  df-er 6619  df-en 6827  df-dom 6828  df-fin 6829  df-sup 7085  df-pnf 8108  df-mnf 8109  df-xr 8110  df-ltxr 8111  df-le 8112  df-sub 8244  df-neg 8245  df-reap 8647  df-ap 8654  df-div 8745  df-inn 9036  df-2 9094  df-3 9095  df-4 9096  df-n0 9295  df-z 9372  df-uz 9648  df-q 9740  df-rp 9775  df-fz 10130  df-fzo 10264  df-fl 10411  df-mod 10466  df-seqfrec 10591  df-exp 10682  df-ihash 10919  df-cj 11095  df-re 11096  df-im 11097  df-rsqrt 11251  df-abs 11252  df-clim 11532  df-proddc 11804  df-dvds 12041  df-gcd 12217  df-prm 12372  df-phi 12475

This theorem is referenced by:  modprm0  12519