Theorem 2exple2exp 33425

Description: If a nonnegative integer 𝑋 is a multiple of a power of two, but less than the next power of two, it is itself a power of two. (Contributed by Thierry Arnoux, 19-Oct-2025.)

Hypotheses

Ref	Expression
2exple2exp.1	⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℕ)
2exple2exp.2	⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ ℕ0)
2exple2exp.3	⊢ (𝜑 → (2↑𝐾) ∥ 𝑋)
2exple2exp.4	⊢ (𝜑 → 𝑋 ≤ (2↑(𝐾 + 1)))

Assertion

Ref	Expression
2exple2exp	⊢ (𝜑 → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝑋 = (2↑𝑛))

Distinct variable groups:   𝑛,𝐾   𝑛,𝑋   𝜑,𝑛

Proof of Theorem 2exple2exp

Dummy variable 𝑚 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		oveq2 7428	. . . 4 ⊢ (𝑛 = 𝐾 → (2↑𝑛) = (2↑𝐾))
2	1	eqeq2d 2771	. . 3 ⊢ (𝑛 = 𝐾 → (𝑋 = (2↑𝑛) ↔ 𝑋 = (2↑𝐾)))
3		2exple2exp.2	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ ℕ0)
4	3	adantr 486	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) → 𝐾 ∈ ℕ0)
5		simplr 781	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑚 ∈ ℕ)
6	5	nnnn0d 12667	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑚 ∈ ℕ0)
7		2nn 12416	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ 2 ∈ ℕ
8	7	a1i 11	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → 2 ∈ ℕ)
9	8, 3	nnexpcld 14389	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝜑 → (2↑𝐾) ∈ ℕ)
10	9	nncnd 12351	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝜑 → (2↑𝐾) ∈ ℂ)
11	10	ad3antrrr 743	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → (2↑𝐾) ∈ ℂ)
12	5	nncnd 12351	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑚 ∈ ℂ)
13	11, 12	mulcomd 11330	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → ((2↑𝐾) · 𝑚) = (𝑚 · (2↑𝐾)))
14		simpr 490	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋)
15		simpllr 788	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1)))
16		2cnd 12421	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 2 ∈ ℂ)
17	3	ad3antrrr 743	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝐾 ∈ ℕ0)
18	16, 17	expp1d 14290	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → (2↑(𝐾 + 1)) = ((2↑𝐾) · 2))
19	15, 18	breqtrd 5130	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑋 < ((2↑𝐾) · 2))
20	14, 19	eqbrtrd 5126	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → (𝑚 · (2↑𝐾)) < ((2↑𝐾) · 2))
21	13, 20	eqbrtrd 5126	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → ((2↑𝐾) · 𝑚) < ((2↑𝐾) · 2))
22	5	nnred 12350	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑚 ∈ ℝ)
23		2re 12417	. . . . . . . . . 10 ⊢ 2 ∈ ℝ
24	23	a1i 11	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 2 ∈ ℝ)
25	9	ad3antrrr 743	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → (2↑𝐾) ∈ ℕ)
26	25	nnrpd 13162	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → (2↑𝐾) ∈ ℝ+)
27	22, 24, 26	ltmul2d 13206	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → (𝑚 < 2 ↔ ((2↑𝐾) · 𝑚) < ((2↑𝐾) · 2)))
28	21, 27	mpbird 260	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑚 < 2)
29	5	nnne0d 12388	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑚 ≠ 0)
30	29	neneqd 2960	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → ¬ 𝑚 = 0)
31		nn0lt2 12762	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑚 ∈ ℕ0 ∧ 𝑚 < 2) → (𝑚 = 0 ∨ 𝑚 = 1))
32	31	orcanai 1018	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑚 ∈ ℕ0 ∧ 𝑚 < 2) ∧ ¬ 𝑚 = 0) → 𝑚 = 1)
33	6, 28, 30, 32	syl21anc 851	. . . . . 6 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑚 = 1)
34	33	oveq1d 7435	. . . . 5 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → (𝑚 · (2↑𝐾)) = (1 · (2↑𝐾)))
35	11	mullidd 11327	. . . . 5 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → (1 · (2↑𝐾)) = (2↑𝐾))
36	34, 14, 35	3eqtr3d 2803	. . . 4 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋) → 𝑋 = (2↑𝐾))
37		2exple2exp.1	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℕ)
38		2exple2exp.3	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (2↑𝐾) ∥ 𝑋)
39		nndivides 16432	. . . . . . 7 ⊢ (((2↑𝐾) ∈ ℕ ∧ 𝑋 ∈ ℕ) → ((2↑𝐾) ∥ 𝑋 ↔ ∃𝑚 ∈ ℕ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋))
40	39	biimpa 482	. . . . . 6 ⊢ ((((2↑𝐾) ∈ ℕ ∧ 𝑋 ∈ ℕ) ∧ (2↑𝐾) ∥ 𝑋) → ∃𝑚 ∈ ℕ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋)
41	9, 37, 38, 40	syl21anc 851	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ∃𝑚 ∈ ℕ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋)
42	41	adantr 486	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) → ∃𝑚 ∈ ℕ (𝑚 · (2↑𝐾)) = 𝑋)
43	36, 42	r19.29a 3170	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) → 𝑋 = (2↑𝐾))
44	2, 4, 43	rspcedvdw 3579	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑋 < (2↑(𝐾 + 1))) → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝑋 = (2↑𝑛))
45		oveq2 7428	. . . 4 ⊢ (𝑛 = (𝐾 + 1) → (2↑𝑛) = (2↑(𝐾 + 1)))
46	45	eqeq2d 2771	. . 3 ⊢ (𝑛 = (𝐾 + 1) → (𝑋 = (2↑𝑛) ↔ 𝑋 = (2↑(𝐾 + 1))))
47		peano2nn0 12646	. . . . 5 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ0 → (𝐾 + 1) ∈ ℕ0)
48	3, 47	syl 18	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐾 + 1) ∈ ℕ0)
49	48	adantr 486	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑋 = (2↑(𝐾 + 1))) → (𝐾 + 1) ∈ ℕ0)
50		simpr 490	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑋 = (2↑(𝐾 + 1))) → 𝑋 = (2↑(𝐾 + 1)))
51	46, 49, 50	rspcedvdw 3579	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑋 = (2↑(𝐾 + 1))) → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝑋 = (2↑𝑛))
52	37	nnred 12350	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
53	23	a1i 11	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 2 ∈ ℝ)
54	53, 48	reexpcld 14306	. . 3 ⊢ (𝜑 → (2↑(𝐾 + 1)) ∈ ℝ)
55		2exple2exp.4	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ≤ (2↑(𝐾 + 1)))
56		leloe 11396	. . . 4 ⊢ ((𝑋 ∈ ℝ ∧ (2↑(𝐾 + 1)) ∈ ℝ) → (𝑋 ≤ (2↑(𝐾 + 1)) ↔ (𝑋 < (2↑(𝐾 + 1)) ∨ 𝑋 = (2↑(𝐾 + 1)))))
57	56	biimpa 482	. . 3 ⊢ (((𝑋 ∈ ℝ ∧ (2↑(𝐾 + 1)) ∈ ℝ) ∧ 𝑋 ≤ (2↑(𝐾 + 1))) → (𝑋 < (2↑(𝐾 + 1)) ∨ 𝑋 = (2↑(𝐾 + 1))))
58	52, 54, 55, 57	syl21anc 851	. 2 ⊢ (𝜑 → (𝑋 < (2↑(𝐾 + 1)) ∨ 𝑋 = (2↑(𝐾 + 1))))
59	44, 51, 58	mpjaodan 973	1 ⊢ (𝜑 → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝑋 = (2↑𝑛))

This proof depends on syntax axioms:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 401   ∨ wo 861   = wceq 1569   ∈ wcel 2144  ∃wrex 3086   class class class wbr 5102  (class class class)co 7420  ℂcc 11198  ℝcr 11199  0cc0 11200  1c1 11201   + caddc 11203   · cmul 11205   < clt 11343   ≤ cle 11344  ℕcn 12335  2c2 12397  ℕ₀cn0 12606  ↑cexp 14204   ∥ cdvds 16422

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5326  ax-pr 5390  ax-un 7751  ax-cnex 11256  ax-resscn 11257  ax-1cn 11258  ax-icn 11259  ax-addcl 11260  ax-addrcl 11261  ax-mulcl 11262  ax-mulrcl 11263  ax-mulcom 11264  ax-addass 11265  ax-mulass 11266  ax-distr 11267  ax-i2m1 11268  ax-1ne0 11269  ax-1rid 11270  ax-rnegex 11271  ax-rrecex 11272  ax-cnre 11273  ax-pre-lttri 11274  ax-pre-lttrn 11275  ax-pre-ltadd 11276  ax-pre-mulgt0 11277

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3365  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3739  df-csb 3847  df-ss 3896  df-pss 4014  df-dif 4047  df-in 4091  df-un 4151  df-nul 4279  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4584  df-pr 4586  df-op 4590  df-uni 4867  df-iun 4952  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-tr 5212  df-id 5545  df-eprel 5550  df-po 5558  df-so 5559  df-fr 5603  df-we 5605  df-xp 5656  df-rel 5657  df-cnv 5658  df-co 5659  df-dm 5660  df-rn 5661  df-res 5662  df-ima 5663  df-pred 6304  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6494  df-fun 6540  df-fn 6541  df-f 6542  df-f1 6543  df-fo 6544  df-f1o 6545  df-fv 6546  df-riota 7377  df-ov 7423  df-oprab 7424  df-mpo 7425  df-om 7878  df-2nd 8002  df-frecs 8299  df-wrecs 8330  df-recs 8379  df-rdg 8418  df-er 8717  df-en 8974  df-dom 8975  df-sdom 8976  df-pnf 11345  df-mnf 11346  df-xr 11347  df-ltxr 11348  df-le 11349  df-sub 11543  df-neg 11544  df-div 11974  df-nn 12336  df-2 12405  df-n0 12607  df-z 12694  df-uz 12966  df-rp 13121  df-seq 14145  df-exp 14205  df-dvds 16423

This theorem is used by:  fldext2rspun  34314