Theorem 2pwp1prm 48223

Description: For ((2↑𝑘) + 1) to be prime, 𝑘 must be a power of 2, see Wikipedia "Fermat number", section "Other theorems about Fermat numbers", https://en.wikipedia.org/wiki/Fermat_number, 5-Aug-2021. (Contributed by AV, 7-Aug-2021.)

Assertion

Ref	Expression
2pwp1prm	⊢ ((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛))

Distinct variable group:   𝑛,𝐾

Proof of Theorem 2pwp1prm

Dummy variables 𝑚 𝑝 𝑘 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		oddprmdvds 16959	. . . 4 ⊢ ((𝐾 ∈ ℕ ∧ ¬ ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)) → ∃𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2})𝑝 ∥ 𝐾)
2	1	adantlr 727	. . 3 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) ∧ ¬ ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)) → ∃𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2})𝑝 ∥ 𝐾)
3		eldifi 4093	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑝 ∈ ℙ)
4		prmnn 16728	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑝 ∈ ℙ → 𝑝 ∈ ℕ)
5	3, 4	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑝 ∈ ℕ)
6		simpl 487	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) → 𝐾 ∈ ℕ)
7		nndivides 16316	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑝 ∈ ℕ ∧ 𝐾 ∈ ℕ) → (𝑝 ∥ 𝐾 ↔ ∃𝑚 ∈ ℕ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾))
8	5, 6, 7	syl2anr 608	. . . . . 6 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) ∧ 𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2})) → (𝑝 ∥ 𝐾 ↔ ∃𝑚 ∈ ℕ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾))
9		2re 12311	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ 2 ∈ ℝ
10	9	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 2 ∈ ℝ)
11		nnnn0 12507	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 𝑚 ∈ ℕ0)
12		1le2 12448	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ 1 ≤ 2
13	12	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 1 ≤ 2)
14	10, 11, 13	expge1d 14197	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 1 ≤ (2↑𝑚))
15		1zzd 12621	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 1 ∈ ℤ)
16		2nn 12310	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ 2 ∈ ℕ
17	16	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 2 ∈ ℕ)
18	17, 11	nnexpcld 14277	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → (2↑𝑚) ∈ ℕ)
19	18	nnzd 12613	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → (2↑𝑚) ∈ ℤ)
20		zleltp1 12641	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((1 ∈ ℤ ∧ (2↑𝑚) ∈ ℤ) → (1 ≤ (2↑𝑚) ↔ 1 < ((2↑𝑚) + 1)))
21	15, 19, 20	syl2anc 595	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → (1 ≤ (2↑𝑚) ↔ 1 < ((2↑𝑚) + 1)))
22	14, 21	mpbid 235	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 1 < ((2↑𝑚) + 1))
23	18	nncnd 12245	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → (2↑𝑚) ∈ ℂ)
24		1cnd 11198	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ)
25		subneg 11503	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (((2↑𝑚) ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((2↑𝑚) − -1) = ((2↑𝑚) + 1))
26	25	breq2d 5122	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (((2↑𝑚) ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → (1 < ((2↑𝑚) − -1) ↔ 1 < ((2↑𝑚) + 1)))
27	23, 24, 26	syl2anc 595	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → (1 < ((2↑𝑚) − -1) ↔ 1 < ((2↑𝑚) + 1)))
28	22, 27	mpbird 260	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 1 < ((2↑𝑚) − -1))
29	28	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 1 < ((2↑𝑚) − -1))
30	29	ad2antlr 739	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → 1 < ((2↑𝑚) − -1))
31	18	nnred 12244	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → (2↑𝑚) ∈ ℝ)
32	31	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (2↑𝑚) ∈ ℝ)
33	16	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 2 ∈ ℕ)
34	11	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 𝑚 ∈ ℕ0)
35	5	nnnn0d 12561	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑝 ∈ ℕ0)
36	35	adantr 485	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 𝑝 ∈ ℕ0)
37	34, 36	nn0mulcld 12566	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (𝑚 · 𝑝) ∈ ℕ0)
38	33, 37	nnexpcld 14277	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (2↑(𝑚 · 𝑝)) ∈ ℕ)
39	38	nnred 12244	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (2↑(𝑚 · 𝑝)) ∈ ℝ)
40		1red 11205	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 1 ∈ ℝ)
41	9	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 2 ∈ ℝ)
42		nnz 12608	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 𝑚 ∈ ℤ)
43	42	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 𝑚 ∈ ℤ)
44	5	nnzd 12613	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑝 ∈ ℤ)
45	44	adantr 485	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 𝑝 ∈ ℤ)
46	43, 45	zmulcld 12702	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (𝑚 · 𝑝) ∈ ℤ)
47		1lt2 12409	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ 1 < 2
48	47	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 1 < 2)
49		prmgt1 16752	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑝 ∈ ℙ → 1 < 𝑝)
50	3, 49	syl 18	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 1 < 𝑝)
51	50	adantr 485	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 1 < 𝑝)
52		nnre 12236	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 𝑚 ∈ ℝ)
53	52	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 𝑚 ∈ ℝ)
54	5	nnred 12244	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑝 ∈ ℝ)
55	54	adantr 485	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 𝑝 ∈ ℝ)
56		nngt0 12263	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → 0 < 𝑚)
57	56	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 0 < 𝑚)
58		ltmulgt11 12070	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝑚 ∈ ℝ ∧ 𝑝 ∈ ℝ ∧ 0 < 𝑚) → (1 < 𝑝 ↔ 𝑚 < (𝑚 · 𝑝)))
59	53, 55, 57, 58	syl3anc 1396	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (1 < 𝑝 ↔ 𝑚 < (𝑚 · 𝑝)))
60	51, 59	mpbid 235	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 𝑚 < (𝑚 · 𝑝))
61		ltexp2a 14198	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (((2 ∈ ℝ ∧ 𝑚 ∈ ℤ ∧ (𝑚 · 𝑝) ∈ ℤ) ∧ (1 < 2 ∧ 𝑚 < (𝑚 · 𝑝))) → (2↑𝑚) < (2↑(𝑚 · 𝑝)))
62	41, 43, 46, 48, 60, 61	syl32anc 1403	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (2↑𝑚) < (2↑(𝑚 · 𝑝)))
63	32, 39, 40, 62	ltadd1dd 11821	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → ((2↑𝑚) + 1) < ((2↑(𝑚 · 𝑝)) + 1))
64	63	ad2antlr 739	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑𝑚) + 1) < ((2↑(𝑚 · 𝑝)) + 1))
65	23, 24	subnegd 11572	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → ((2↑𝑚) − -1) = ((2↑𝑚) + 1))
66	65	eqcomd 2775	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → ((2↑𝑚) + 1) = ((2↑𝑚) − -1))
67	66	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → ((2↑𝑚) + 1) = ((2↑𝑚) − -1))
68	67	ad2antlr 739	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑𝑚) + 1) = ((2↑𝑚) − -1))
69		oveq2 7416	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑚 · 𝑝) = 𝐾 → (2↑(𝑚 · 𝑝)) = (2↑𝐾))
70	69	oveq1d 7423	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝑚 · 𝑝) = 𝐾 → ((2↑(𝑚 · 𝑝)) + 1) = ((2↑𝐾) + 1))
71	70	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑(𝑚 · 𝑝)) + 1) = ((2↑𝐾) + 1))
72	64, 68, 71	3brtr3d 5143	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑𝑚) − -1) < ((2↑𝐾) + 1))
73		neg1z 12626	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ -1 ∈ ℤ
74	73	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → -1 ∈ ℤ)
75	19, 74	zsubcld 12701	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑚 ∈ ℕ → ((2↑𝑚) − -1) ∈ ℤ)
76	75	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → ((2↑𝑚) − -1) ∈ ℤ)
77		fzofi 14006	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (0..^𝑝) ∈ Fin
78	77	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (0..^𝑝) ∈ Fin)
79	19	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (2↑𝑚) ∈ ℤ)
80		elfzonn0 13732	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑘 ∈ (0..^𝑝) → 𝑘 ∈ ℕ0)
81		zexpcl 14108	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (((2↑𝑚) ∈ ℤ ∧ 𝑘 ∈ ℕ0) → ((2↑𝑚)↑𝑘) ∈ ℤ)
82	79, 80, 81	syl2an 607	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (0..^𝑝)) → ((2↑𝑚)↑𝑘) ∈ ℤ)
83	73	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (0..^𝑝)) → -1 ∈ ℤ)
84		fzonnsub 13709	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ⊢ (𝑘 ∈ (0..^𝑝) → (𝑝 − 𝑘) ∈ ℕ)
85	84	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (0..^𝑝)) → (𝑝 − 𝑘) ∈ ℕ)
86		nnm1nn0 12541	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ ((𝑝 − 𝑘) ∈ ℕ → ((𝑝 − 𝑘) − 1) ∈ ℕ0)
87	85, 86	syl 18	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (0..^𝑝)) → ((𝑝 − 𝑘) − 1) ∈ ℕ0)
88		zexpcl 14108	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ ((-1 ∈ ℤ ∧ ((𝑝 − 𝑘) − 1) ∈ ℕ0) → (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1)) ∈ ℤ)
89	83, 87, 88	syl2anc 595	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (0..^𝑝)) → (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1)) ∈ ℤ)
90	82, 89	zmulcld 12702	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) ∧ 𝑘 ∈ (0..^𝑝)) → (((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1))) ∈ ℤ)
91	78, 90	fsumzcl 15782	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → Σ𝑘 ∈ (0..^𝑝)(((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1))) ∈ ℤ)
92		dvdsmul1 16331	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((((2↑𝑚) − -1) ∈ ℤ ∧ Σ𝑘 ∈ (0..^𝑝)(((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1))) ∈ ℤ) → ((2↑𝑚) − -1) ∥ (((2↑𝑚) − -1) · Σ𝑘 ∈ (0..^𝑝)(((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1)))))
93	76, 91, 92	syl2anc 595	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → ((2↑𝑚) − -1) ∥ (((2↑𝑚) − -1) · Σ𝑘 ∈ (0..^𝑝)(((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1)))))
94	93	ad2antlr 739	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑𝑚) − -1) ∥ (((2↑𝑚) − -1) · Σ𝑘 ∈ (0..^𝑝)(((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1)))))
95	23	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (2↑𝑚) ∈ ℂ)
96		neg1cn 12199	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ -1 ∈ ℂ
97	96	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → -1 ∈ ℂ)
98		pwdif 15918	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ ℕ0 ∧ (2↑𝑚) ∈ ℂ ∧ -1 ∈ ℂ) → (((2↑𝑚)↑𝑝) − (-1↑𝑝)) = (((2↑𝑚) − -1) · Σ𝑘 ∈ (0..^𝑝)(((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1)))))
99	36, 95, 97, 98	syl3anc 1396	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (((2↑𝑚)↑𝑝) − (-1↑𝑝)) = (((2↑𝑚) − -1) · Σ𝑘 ∈ (0..^𝑝)(((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1)))))
100	99	breq2d 5122	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (((2↑𝑚) − -1) ∥ (((2↑𝑚)↑𝑝) − (-1↑𝑝)) ↔ ((2↑𝑚) − -1) ∥ (((2↑𝑚) − -1) · Σ𝑘 ∈ (0..^𝑝)(((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1))))))
101	100	ad2antlr 739	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → (((2↑𝑚) − -1) ∥ (((2↑𝑚)↑𝑝) − (-1↑𝑝)) ↔ ((2↑𝑚) − -1) ∥ (((2↑𝑚) − -1) · Σ𝑘 ∈ (0..^𝑝)(((2↑𝑚)↑𝑘) · (-1↑((𝑝 − 𝑘) − 1))))))
102	94, 101	mpbird 260	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑𝑚) − -1) ∥ (((2↑𝑚)↑𝑝) − (-1↑𝑝)))
103		2cnd 12315	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ → 2 ∈ ℂ)
104		nnnn0 12507	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ → 𝐾 ∈ ℕ0)
105	103, 104	expcld 14178	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ → (2↑𝐾) ∈ ℂ)
106		1cnd 11198	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ → 1 ∈ ℂ)
107	105, 106	subnegd 11572	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ → ((2↑𝐾) − -1) = ((2↑𝐾) + 1))
108	107	eqcomd 2775	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝐾 ∈ ℕ → ((2↑𝐾) + 1) = ((2↑𝐾) − -1))
109	108	adantr 485	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) → ((2↑𝐾) + 1) = ((2↑𝐾) − -1))
110	109	adantr 485	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑𝐾) + 1) = ((2↑𝐾) − -1))
111		oveq2 7416	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝐾 = (𝑚 · 𝑝) → (2↑𝐾) = (2↑(𝑚 · 𝑝)))
112	111	eqcoms 2777	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝑚 · 𝑝) = 𝐾 → (2↑𝐾) = (2↑(𝑚 · 𝑝)))
113	112	adantl 486	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → (2↑𝐾) = (2↑(𝑚 · 𝑝)))
114		2cnd 12315	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → 2 ∈ ℂ)
115	114, 36, 34	expmuld 14181	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → (2↑(𝑚 · 𝑝)) = ((2↑𝑚)↑𝑝))
116	115	ad2antlr 739	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → (2↑(𝑚 · 𝑝)) = ((2↑𝑚)↑𝑝))
117	113, 116	eqtrd 2804	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → (2↑𝐾) = ((2↑𝑚)↑𝑝))
118		1exp 14123	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 ⊢ (𝑝 ∈ ℤ → (1↑𝑝) = 1)
119	44, 118	syl 18	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → (1↑𝑝) = 1)
120	119	eqcomd 2775	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 1 = (1↑𝑝))
121	120	negeqd 11447	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → -1 = -(1↑𝑝))
122		1cnd 11198	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 1 ∈ ℂ)
123		oddn2prm 16868	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → ¬ 2 ∥ 𝑝)
124		oexpneg 16399	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ 𝑝 ∈ ℕ ∧ ¬ 2 ∥ 𝑝) → (-1↑𝑝) = -(1↑𝑝))
125	122, 5, 123, 124	syl3anc 1396	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → (-1↑𝑝) = -(1↑𝑝))
126	125	eqcomd 2775	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → -(1↑𝑝) = (-1↑𝑝))
127	121, 126	eqtrd 2804	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) → -1 = (-1↑𝑝))
128	127	adantr 485	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → -1 = (-1↑𝑝))
129	128	ad2antlr 739	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → -1 = (-1↑𝑝))
130	117, 129	oveq12d 7426	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑𝐾) − -1) = (((2↑𝑚)↑𝑝) − (-1↑𝑝)))
131	110, 130	eqtrd 2804	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑𝐾) + 1) = (((2↑𝑚)↑𝑝) − (-1↑𝑝)))
132	131	breq2d 5122	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → (((2↑𝑚) − -1) ∥ ((2↑𝐾) + 1) ↔ ((2↑𝑚) − -1) ∥ (((2↑𝑚)↑𝑝) − (-1↑𝑝))))
133	102, 132	mpbird 260	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ((2↑𝑚) − -1) ∥ ((2↑𝐾) + 1))
134	30, 72, 133	dvdsnprmd 16744	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → ¬ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ)
135	134	pm2.21d 122	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) ∧ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾) → (((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)))
136	135	ex 417	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) → ((𝑚 · 𝑝) = 𝐾 → (((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛))))
137	136	com23 87	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐾 ∈ ℕ ∧ (𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ)) → (((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ → ((𝑚 · 𝑝) = 𝐾 → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛))))
138	137	impancom 456	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) → ((𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → ((𝑚 · 𝑝) = 𝐾 → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛))))
139	138	impl 460	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) ∧ 𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2})) ∧ 𝑚 ∈ ℕ) → ((𝑚 · 𝑝) = 𝐾 → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)))
140	139	rexlimdva 3172	. . . . . 6 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) ∧ 𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2})) → (∃𝑚 ∈ ℕ (𝑚 · 𝑝) = 𝐾 → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)))
141	8, 140	sylbid 243	. . . . 5 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) ∧ 𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2})) → (𝑝 ∥ 𝐾 → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)))
142	141	rexlimdva 3172	. . . 4 ⊢ ((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) → (∃𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2})𝑝 ∥ 𝐾 → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)))
143	142	adantr 485	. . 3 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) ∧ ¬ ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)) → (∃𝑝 ∈ (ℙ ∖ {2})𝑝 ∥ 𝐾 → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)))
144	2, 143	mpd 16	. 2 ⊢ (((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) ∧ ¬ ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛)) → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛))
145	144	pm2.18da 811	1 ⊢ ((𝐾 ∈ ℕ ∧ ((2↑𝐾) + 1) ∈ ℙ) → ∃𝑛 ∈ ℕ0 𝐾 = (2↑𝑛))

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 400   = wceq 1567   ∈ wcel 2149  ∃wrex 3095   ∖ cdif 3910  {csn 4591   class class class wbr 5110  (class class class)co 7408  Fincfn 8939  ℂcc 11094  ℝcr 11095  0cc0 11096  1c1 11097   + caddc 11099   · cmul 11101   < clt 11239   ≤ cle 11240   − cmin 11437  -cneg 11438  ℕcn 12229  2c2 12291  ℕ₀cn0 12500  ℤcz 12587  ..^cfzo 13678  ↑cexp 14093  Σcsu 15733   ∥ cdvds 16306  ℙcprime 16725

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1822  ax-4 1836  ax-5 1937  ax-6 1994  ax-7 2035  ax-8 2151  ax-9 2159  ax-10 2182  ax-11 2198  ax-12 2219  ax-ext 2741  ax-rep 5239  ax-sep 5258  ax-nul 5268  ax-pow 5334  ax-pr 5402  ax-un 7730  ax-inf2 9606  ax-cnex 11152  ax-resscn 11153  ax-1cn 11154  ax-icn 11155  ax-addcl 11156  ax-addrcl 11157  ax-mulcl 11158  ax-mulrcl 11159  ax-mulcom 11160  ax-addass 11161  ax-mulass 11162  ax-distr 11163  ax-i2m1 11164  ax-1ne0 11165  ax-1rid 11166  ax-rnegex 11167  ax-rrecex 11168  ax-cnre 11169  ax-pre-lttri 11170  ax-pre-lttrn 11171  ax-pre-ltadd 11172  ax-pre-mulgt0 11173  ax-pre-sup 11174

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1102  df-3an 1103  df-tru 1570  df-fal 1580  df-ex 1807  df-nf 1811  df-sb 2098  df-mo 2573  df-eu 2603  df-clab 2748  df-cleq 2761  df-clel 2844  df-nfc 2918  df-ne 2965  df-nel 3071  df-ral 3086  df-rex 3096  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3424  df-v 3465  df-sbc 3754  df-csb 3862  df-dif 3916  df-un 3918  df-in 3920  df-ss 3930  df-pss 3933  df-nul 4295  df-if 4490  df-pw 4566  df-sn 4592  df-pr 4594  df-op 4598  df-uni 4874  df-int 4914  df-iun 4959  df-br 5111  df-opab 5175  df-mpt 5194  df-tr 5220  df-id 5554  df-eprel 5559  df-po 5567  df-so 5568  df-fr 5612  df-se 5613  df-we 5614  df-xp 5665  df-rel 5666  df-cnv 5667  df-co 5668  df-dm 5669  df-rn 5670  df-res 5671  df-ima 5672  df-pred 6299  df-ord 6360  df-on 6361  df-lim 6362  df-suc 6363  df-iota 6489  df-fun 6535  df-fn 6536  df-f 6537  df-f1 6538  df-fo 6539  df-f1o 6540  df-fv 6541  df-isom 6542  df-riota 7365  df-ov 7411  df-oprab 7412  df-mpo 7413  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-2o 8450  df-er 8690  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-sup 9398  df-inf 9399  df-oi 9468  df-card 9921  df-pnf 11241  df-mnf 11242  df-xr 11243  df-ltxr 11244  df-le 11245  df-sub 11439  df-neg 11440  df-div 11868  df-nn 12230  df-2 12299  df-3 12300  df-n0 12501  df-z 12588  df-uz 12859  df-q 12969  df-rp 13013  df-fz 13532  df-fzo 13679  df-fl 13821  df-mod 13899  df-seq 14034  df-exp 14094  df-hash 14363  df-cj 15146  df-re 15147  df-im 15148  df-sqrt 15282  df-abs 15283  df-clim 15535  df-sum 15734  df-dvds 16307  df-gcd 16549  df-prm 16726  df-pc 16893

This theorem is referenced by:  2pwp1prmfmtno  48224