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

Theorem zprmlogbap 16137
Description: The logarithm of a natural number to a prime base is either rational or irrational.

The proof decomposes 𝑋 into 𝑚 ∈ ℕ and 𝑎 ∈ ℕ0 such that 𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚) (using nnmaxpw 12969). If 𝑚 = 1 the logarithm is 𝑎, which is rational. If 1 < 𝑚 then we can apply logbgcd1irrap 16125 to show that the logarithm is irrational. (Contributed by Jim Kingdon and Taylor Barrella, 20-Aug-2026.)

Assertion
Ref Expression
zprmlogbap ((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) → ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℚ ∨ ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb 𝑋) # 𝑞)))
Distinct variable groups:   𝐵,𝑞   𝑋,𝑞

Proof of Theorem zprmlogbap
Dummy variables 𝑎 𝑚 𝑡 𝑢 𝑣 𝑥 𝑦 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 breq2 4134 . . . . 5 (𝑡 = 𝑧 → (𝐵𝑡𝐵𝑧))
21notbid 677 . . . 4 (𝑡 = 𝑧 → (¬ 𝐵𝑡 ↔ ¬ 𝐵𝑧))
32cbvrabv 2820 . . 3 {𝑡 ∈ ℕ ∣ ¬ 𝐵𝑡} = {𝑧 ∈ ℕ ∣ ¬ 𝐵𝑧}
4 oveq2 6093 . . . 4 (𝑢 = 𝑥 → ((𝐵𝑣) · 𝑢) = ((𝐵𝑣) · 𝑥))
5 oveq2 6093 . . . . 5 (𝑣 = 𝑦 → (𝐵𝑣) = (𝐵𝑦))
65oveq1d 6100 . . . 4 (𝑣 = 𝑦 → ((𝐵𝑣) · 𝑥) = ((𝐵𝑦) · 𝑥))
74, 6cbvmpov 6168 . . 3 (𝑢 ∈ {𝑡 ∈ ℕ ∣ ¬ 𝐵𝑡}, 𝑣 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐵𝑣) · 𝑢)) = (𝑥 ∈ {𝑡 ∈ ℕ ∣ ¬ 𝐵𝑡}, 𝑦 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐵𝑦) · 𝑥))
83, 7zprmlogbaplem3 16136 . 2 ((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) → ∃𝑚 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ0𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚)))
9 simpllr 540 . . . . . 6 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → 𝐵 ∈ ℙ)
10 simplrl 541 . . . . . 6 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → 𝑚 ∈ ℕ)
11 simprl 535 . . . . . 6 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → ¬ 𝐵𝑚)
12 simplrr 542 . . . . . 6 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → 𝑎 ∈ ℕ0)
13 eqid 2238 . . . . . 6 ((𝐵𝑎) · 𝑚) = ((𝐵𝑎) · 𝑚)
149, 10, 11, 12, 13zprmlogbaplem2 16135 . . . . 5 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → ((𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) ∈ ℚ ∨ ((𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) # 𝑞)))
15 simprr 537 . . . . . . . 8 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → 𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))
1615oveq2d 6101 . . . . . . 7 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → (𝐵 logb 𝑋) = (𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)))
1716eleq1d 2307 . . . . . 6 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℚ ↔ (𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) ∈ ℚ))
1816eleq1d 2307 . . . . . . 7 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℝ ↔ (𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) ∈ ℝ))
1916breq1d 4140 . . . . . . . 8 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → ((𝐵 logb 𝑋) # 𝑞 ↔ (𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) # 𝑞))
2019ralbidv 2550 . . . . . . 7 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → (∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb 𝑋) # 𝑞 ↔ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) # 𝑞))
2118, 20anbi12d 477 . . . . . 6 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → (((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb 𝑋) # 𝑞) ↔ ((𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) # 𝑞)))
2217, 21orbi12d 805 . . . . 5 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → (((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℚ ∨ ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb 𝑋) # 𝑞)) ↔ ((𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) ∈ ℚ ∨ ((𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb ((𝐵𝑎) · 𝑚)) # 𝑞))))
2314, 22mpbird 167 . . . 4 ((((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) ∧ (¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚))) → ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℚ ∨ ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb 𝑋) # 𝑞)))
2423ex 115 . . 3 (((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) ∧ (𝑚 ∈ ℕ ∧ 𝑎 ∈ ℕ0)) → ((¬ 𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚)) → ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℚ ∨ ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb 𝑋) # 𝑞))))
2524rexlimdvva 2676 . 2 ((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) → (∃𝑚 ∈ ℕ ∃𝑎 ∈ ℕ0𝐵𝑚𝑋 = ((𝐵𝑎) · 𝑚)) → ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℚ ∨ ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb 𝑋) # 𝑞))))
268, 25mpd 13 1 ((𝑋 ∈ ℕ ∧ 𝐵 ∈ ℙ) → ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℚ ∨ ((𝐵 logb 𝑋) ∈ ℝ ∧ ∀𝑞 ∈ ℚ (𝐵 logb 𝑋) # 𝑞)))
Colors of variables:    wff set class
This proof depends on syntax axioms:  ¬ wn 3  wi 4  wa 104  wo 720   = wceq 1402  wcel 2209  wral 2528  wrex 2529  {crab 2532   class class class wbr 4130  (class class class)co 6085  cmpo 6087  cr 8178   · cmul 8184   # cap 8911  cn 9306  0cn0 9567  cq 10028  cexp 10988  cdvds 12570  cprime 12901   logb clogb 16098
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 4246  ax-sep 4249  ax-nul 4259  ax-pow 4311  ax-pr 4346  ax-un 4578  ax-setind 4684  ax-iinf 4735  ax-cnex 8270  ax-resscn 8271  ax-1cn 8272  ax-1re 8273  ax-icn 8274  ax-addcl 8275  ax-addrcl 8276  ax-mulcl 8277  ax-mulrcl 8278  ax-addcom 8279  ax-mulcom 8280  ax-addass 8281  ax-mulass 8282  ax-distr 8283  ax-i2m1 8284  ax-0lt1 8285  ax-1rid 8286  ax-0id 8287  ax-rnegex 8288  ax-precex 8289  ax-cnre 8290  ax-pre-ltirr 8291  ax-pre-ltwlin 8292  ax-pre-lttrn 8293  ax-pre-apti 8294  ax-pre-ltadd 8295  ax-pre-mulgt0 8296  ax-pre-mulext 8297  ax-arch 8298  ax-caucvg 8299  ax-pre-suploc 8300  ax-addf 8301  ax-mulf 8302
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-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 4131  df-opab 4193  df-mpt 4194  df-tr 4230  df-id 4438  df-po 4441  df-iso 4442  df-iord 4511  df-on 4513  df-ilim 4514  df-suc 4516  df-iom 4738  df-xp 4780  df-rel 4781  df-cnv 4782  df-co 4783  df-dm 4784  df-rn 4785  df-res 4786  df-ima 4787  df-iota 5337  df-fun 5379  df-fn 5380  df-f 5381  df-f1 5382  df-fo 5383  df-f1o 5384  df-fv 5385  df-isom 5386  df-riota 6038  df-ov 6088  df-oprab 6089  df-mpo 6090  df-of 6302  df-1st 6374  df-2nd 6375  df-recs 6576  df-irdg 6641  df-frec 6662  df-1o 6687  df-2o 6688  df-oadd 6691  df-er 6807  df-map 6924  df-pm 6925  df-en 7023  df-dom 7024  df-fin 7025  df-sup 7324  df-inf 7325  df-pnf 8362  df-mnf 8363  df-xr 8364  df-ltxr 8365  df-le 8366  df-sub 8500  df-neg 8501  df-reap 8905  df-ap 8912  df-div 9005  df-inn 9307  df-2 9365  df-3 9366  df-4 9367  df-n0 9568  df-z 9649  df-uz 9931  df-q 10029  df-rp 10065  df-xneg 10184  df-xadd 10185  df-ioo 10304  df-ico 10306  df-icc 10307  df-fz 10422  df-fzo 10560  df-fl 10715  df-mod 10773  df-seqfrec 10898  df-exp 10989  df-fac 11178  df-bc 11200  df-ihash 11229  df-shft 11594  df-cj 11621  df-re 11622  df-im 11623  df-rsqrt 11778  df-abs 11779  df-clim 12061  df-sumdc 12136  df-ef 12431  df-e 12432  df-dvds 12571  df-gcd 12747  df-prm 12902  df-rest 13644  df-topgen 13663  df-psmet 14929  df-xmet 14930  df-met 14931  df-bl 14932  df-mopn 14933  df-top 15148  df-topon 15161  df-bases 15193  df-ntr 15246  df-cn 15338  df-cnp 15339  df-tx 15403  df-cncf 15721  df-limced 15806  df-dvap 15807  df-relog 16009  df-rpcxp 16010  df-logb 16099
This theorem is used by:  prmefexple  16206  bposlem1  16209
  Copyright terms: Public domain W3C validator