MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  2sqlem10 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem 2sqlem10 27410
Description: Lemma for 2sq 27412. Every factor of a "proper" sum of two squares (where the summands are coprime) is a sum of two squares. (Contributed by Mario Carneiro, 19-Jun-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
2sq.1 𝑆 = ran (𝑤 ∈ ℤ[i] ↦ ((abs‘𝑤)↑2))
2sqlem7.2 𝑌 = {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑧 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2)))}
Assertion
Ref Expression
2sqlem10 ((𝐴𝑌𝐵 ∈ ℕ ∧ 𝐵𝐴) → 𝐵𝑆)
Distinct variable groups:   𝑥,𝑤,𝑦,𝑧   𝑥,𝐴,𝑦,𝑧   𝑥,𝐵,𝑦   𝑥,𝑆,𝑦,𝑧   𝑥,𝑌,𝑦
Allowed substitution hints:   𝐴(𝑤)   𝐵(𝑧,𝑤)   𝑆(𝑤)   𝑌(𝑧,𝑤)

Proof of Theorem 2sqlem10
Dummy variables 𝑎 𝑏 𝑛 𝑚 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 breq1 5103 . . . . . 6 (𝑏 = 𝐵 → (𝑏𝑎𝐵𝑎))
2 eleq1 2825 . . . . . 6 (𝑏 = 𝐵 → (𝑏𝑆𝐵𝑆))
31, 2imbi12d 344 . . . . 5 (𝑏 = 𝐵 → ((𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ (𝐵𝑎𝐵𝑆)))
43ralbidv 3161 . . . 4 (𝑏 = 𝐵 → (∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆)))
5 oveq2 7376 . . . . . 6 (𝑚 = 1 → (1...𝑚) = (1...1))
65raleqdv 3298 . . . . 5 (𝑚 = 1 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...1)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
7 oveq2 7376 . . . . . 6 (𝑚 = 𝑛 → (1...𝑚) = (1...𝑛))
87raleqdv 3298 . . . . 5 (𝑚 = 𝑛 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
9 oveq2 7376 . . . . . 6 (𝑚 = (𝑛 + 1) → (1...𝑚) = (1...(𝑛 + 1)))
109raleqdv 3298 . . . . 5 (𝑚 = (𝑛 + 1) → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
11 oveq2 7376 . . . . . 6 (𝑚 = 𝐵 → (1...𝑚) = (1...𝐵))
1211raleqdv 3298 . . . . 5 (𝑚 = 𝐵 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...𝐵)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
13 elfz1eq 13463 . . . . . . . . 9 (𝑏 ∈ (1...1) → 𝑏 = 1)
14 1z 12533 . . . . . . . . . . . 12 1 ∈ ℤ
15 zgz 16873 . . . . . . . . . . . 12 (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ[i])
1614, 15ax-mp 5 . . . . . . . . . . 11 1 ∈ ℤ[i]
17 sq1 14130 . . . . . . . . . . . 12 (1↑2) = 1
1817eqcomi 2746 . . . . . . . . . . 11 1 = (1↑2)
19 fveq2 6842 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = (abs‘1))
20 abs1 15232 . . . . . . . . . . . . . 14 (abs‘1) = 1
2119, 20eqtrdi 2788 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = 1)
2221oveq1d 7383 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 = 1 → ((abs‘𝑥)↑2) = (1↑2))
2322rspceeqv 3601 . . . . . . . . . . 11 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 1 = (1↑2)) → ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
2416, 18, 23mp2an 693 . . . . . . . . . 10 𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2)
25 2sq.1 . . . . . . . . . . 11 𝑆 = ran (𝑤 ∈ ℤ[i] ↦ ((abs‘𝑤)↑2))
26252sqlem1 27399 . . . . . . . . . 10 (1 ∈ 𝑆 ↔ ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
2724, 26mpbir 231 . . . . . . . . 9 1 ∈ 𝑆
2813, 27eqeltrdi 2845 . . . . . . . 8 (𝑏 ∈ (1...1) → 𝑏𝑆)
2928a1d 25 . . . . . . 7 (𝑏 ∈ (1...1) → (𝑏𝑎𝑏𝑆))
3029ralrimivw 3134 . . . . . 6 (𝑏 ∈ (1...1) → ∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
3130rgen 3054 . . . . 5 𝑏 ∈ (1...1)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)
32 2sqlem7.2 . . . . . . . . . . . . 13 𝑌 = {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑧 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2)))}
33 simplr 769 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
34 nncn 12165 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℂ)
3534ad2antrr 727 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → 𝑛 ∈ ℂ)
36 ax-1cn 11096 . . . . . . . . . . . . . . . 16 1 ∈ ℂ
37 pncan 11398 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((𝑛 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑛 + 1) − 1) = 𝑛)
3835, 36, 37sylancl 587 . . . . . . . . . . . . . . 15 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ((𝑛 + 1) − 1) = 𝑛)
3938oveq2d 7384 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (1...((𝑛 + 1) − 1)) = (1...𝑛))
4033, 39raleqtrrdv 3302 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ∀𝑏 ∈ (1...((𝑛 + 1) − 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
41 simprr 773 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)
42 peano2nn 12169 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 + 1) ∈ ℕ)
4342ad2antrr 727 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∈ ℕ)
44 simprl 771 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → 𝑚𝑌)
4525, 32, 40, 41, 43, 442sqlem9 27409 . . . . . . . . . . . 12 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)
4645expr 456 . . . . . . . . . . 11 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ 𝑚𝑌) → ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
4746ralrimiva 3130 . . . . . . . . . 10 ((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) → ∀𝑚𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
4847ex 412 . . . . . . . . 9 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → ∀𝑚𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
49 breq2 5104 . . . . . . . . . . 11 (𝑎 = 𝑚 → ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 ↔ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚))
5049imbi1d 341 . . . . . . . . . 10 (𝑎 = 𝑚 → (((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆) ↔ ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5150cbvralvw 3216 . . . . . . . . 9 (∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆) ↔ ∀𝑚𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
5248, 51imbitrrdi 252 . . . . . . . 8 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → ∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
53 ovex 7401 . . . . . . . . 9 (𝑛 + 1) ∈ V
54 breq1 5103 . . . . . . . . . . 11 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (𝑏𝑎 ↔ (𝑛 + 1) ∥ 𝑎))
55 eleq1 2825 . . . . . . . . . . 11 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (𝑏𝑆 ↔ (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
5654, 55imbi12d 344 . . . . . . . . . 10 (𝑏 = (𝑛 + 1) → ((𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5756ralbidv 3161 . . . . . . . . 9 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5853, 57ralsn 4640 . . . . . . . 8 (∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
5952, 58imbitrrdi 252 . . . . . . 7 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → ∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
6059ancld 550 . . . . . 6 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ∧ ∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))))
61 elnnuz 12803 . . . . . . . . 9 (𝑛 ∈ ℕ ↔ 𝑛 ∈ (ℤ‘1))
62 fzsuc 13499 . . . . . . . . 9 (𝑛 ∈ (ℤ‘1) → (1...(𝑛 + 1)) = ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)}))
6361, 62sylbi 217 . . . . . . . 8 (𝑛 ∈ ℕ → (1...(𝑛 + 1)) = ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)}))
6463raleqdv 3298 . . . . . . 7 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)})∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
65 ralunb 4151 . . . . . . 7 (∀𝑏 ∈ ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)})∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ∧ ∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
6664, 65bitrdi 287 . . . . . 6 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ∧ ∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))))
6760, 66sylibrd 259 . . . . 5 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → ∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
686, 8, 10, 12, 31, 67nnind 12175 . . . 4 (𝐵 ∈ ℕ → ∀𝑏 ∈ (1...𝐵)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
69 elfz1end 13482 . . . . 5 (𝐵 ∈ ℕ ↔ 𝐵 ∈ (1...𝐵))
7069biimpi 216 . . . 4 (𝐵 ∈ ℕ → 𝐵 ∈ (1...𝐵))
714, 68, 70rspcdva 3579 . . 3 (𝐵 ∈ ℕ → ∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆))
72 breq2 5104 . . . . 5 (𝑎 = 𝐴 → (𝐵𝑎𝐵𝐴))
7372imbi1d 341 . . . 4 (𝑎 = 𝐴 → ((𝐵𝑎𝐵𝑆) ↔ (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
7473rspcv 3574 . . 3 (𝐴𝑌 → (∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆) → (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
7571, 74syl5 34 . 2 (𝐴𝑌 → (𝐵 ∈ ℕ → (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
76753imp 1111 1 ((𝐴𝑌𝐵 ∈ ℕ ∧ 𝐵𝐴) → 𝐵𝑆)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 395  w3a 1087   = wceq 1542  wcel 2114  {cab 2715  wral 3052  wrex 3062  cun 3901  {csn 4582   class class class wbr 5100  cmpt 5181  ran crn 5633  cfv 6500  (class class class)co 7368  cc 11036  1c1 11039   + caddc 11041  cmin 11376  cn 12157  2c2 12212  cz 12500  cuz 12763  ...cfz 13435  cexp 13996  abscabs 15169  cdvds 16191   gcd cgcd 16433  ℤ[i]cgz 16869
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1912  ax-6 1969  ax-7 2010  ax-8 2116  ax-9 2124  ax-10 2147  ax-11 2163  ax-12 2185  ax-ext 2709  ax-sep 5243  ax-nul 5253  ax-pow 5312  ax-pr 5379  ax-un 7690  ax-cnex 11094  ax-resscn 11095  ax-1cn 11096  ax-icn 11097  ax-addcl 11098  ax-addrcl 11099  ax-mulcl 11100  ax-mulrcl 11101  ax-mulcom 11102  ax-addass 11103  ax-mulass 11104  ax-distr 11105  ax-i2m1 11106  ax-1ne0 11107  ax-1rid 11108  ax-rnegex 11109  ax-rrecex 11110  ax-cnre 11111  ax-pre-lttri 11112  ax-pre-lttrn 11113  ax-pre-ltadd 11114  ax-pre-mulgt0 11115  ax-pre-sup 11116
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 849  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2069  df-mo 2540  df-eu 2570  df-clab 2716  df-cleq 2729  df-clel 2812  df-nfc 2886  df-ne 2934  df-nel 3038  df-ral 3053  df-rex 3063  df-rmo 3352  df-reu 3353  df-rab 3402  df-v 3444  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-dif 3906  df-un 3908  df-in 3910  df-ss 3920  df-pss 3923  df-nul 4288  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4583  df-pr 4585  df-op 4589  df-uni 4866  df-iun 4950  df-br 5101  df-opab 5163  df-mpt 5182  df-tr 5208  df-id 5527  df-eprel 5532  df-po 5540  df-so 5541  df-fr 5585  df-we 5587  df-xp 5638  df-rel 5639  df-cnv 5640  df-co 5641  df-dm 5642  df-rn 5643  df-res 5644  df-ima 5645  df-pred 6267  df-ord 6328  df-on 6329  df-lim 6330  df-suc 6331  df-iota 6456  df-fun 6502  df-fn 6503  df-f 6504  df-f1 6505  df-fo 6506  df-f1o 6507  df-fv 6508  df-riota 7325  df-ov 7371  df-oprab 7372  df-mpo 7373  df-om 7819  df-1st 7943  df-2nd 7944  df-frecs 8233  df-wrecs 8264  df-recs 8313  df-rdg 8351  df-1o 8407  df-2o 8408  df-er 8645  df-en 8896  df-dom 8897  df-sdom 8898  df-fin 8899  df-sup 9357  df-inf 9358  df-pnf 11180  df-mnf 11181  df-xr 11182  df-ltxr 11183  df-le 11184  df-sub 11378  df-neg 11379  df-div 11807  df-nn 12158  df-2 12220  df-3 12221  df-n0 12414  df-z 12501  df-uz 12764  df-rp 12918  df-fz 13436  df-fl 13724  df-mod 13802  df-seq 13937  df-exp 13997  df-cj 15034  df-re 15035  df-im 15036  df-sqrt 15170  df-abs 15171  df-dvds 16192  df-gcd 16434  df-prm 16611  df-gz 16870
This theorem is referenced by:  2sqlem11  27411
  Copyright terms: Public domain W3C validator