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

Theorem 2sqlem10 27592
Description: Lemma for 2sq 27594. 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 5112 . . . . . 6 (𝑏 = 𝐵 → (𝑏𝑎𝐵𝑎))
2 eleq1 2851 . . . . . 6 (𝑏 = 𝐵 → (𝑏𝑆𝐵𝑆))
31, 2imbi12d 347 . . . . 5 (𝑏 = 𝐵 → ((𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ (𝐵𝑎𝐵𝑆)))
43ralbidv 3188 . . . 4 (𝑏 = 𝐵 → (∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆)))
5 oveq2 7418 . . . . . 6 (𝑚 = 1 → (1...𝑚) = (1...1))
65raleqdv 3323 . . . . 5 (𝑚 = 1 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...1)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
7 oveq2 7418 . . . . . 6 (𝑚 = 𝑛 → (1...𝑚) = (1...𝑛))
87raleqdv 3323 . . . . 5 (𝑚 = 𝑛 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
9 oveq2 7418 . . . . . 6 (𝑚 = (𝑛 + 1) → (1...𝑚) = (1...(𝑛 + 1)))
109raleqdv 3323 . . . . 5 (𝑚 = (𝑛 + 1) → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
11 oveq2 7418 . . . . . 6 (𝑚 = 𝐵 → (1...𝑚) = (1...𝐵))
1211raleqdv 3323 . . . . 5 (𝑚 = 𝐵 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...𝐵)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
13 elfz1eq 13558 . . . . . . . . 9 (𝑏 ∈ (1...1) → 𝑏 = 1)
14 1z 12619 . . . . . . . . . . . 12 1 ∈ ℤ
15 zgz 16988 . . . . . . . . . . . 12 (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ[i])
1614, 15ax-mp 5 . . . . . . . . . . 11 1 ∈ ℤ[i]
17 sq1 14227 . . . . . . . . . . . 12 (1↑2) = 1
1817eqcomi 2772 . . . . . . . . . . 11 1 = (1↑2)
19 fveq2 6881 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = (abs‘1))
20 abs1 15344 . . . . . . . . . . . . . 14 (abs‘1) = 1
2119, 20eqtrdi 2814 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = 1)
2221oveq1d 7425 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 = 1 → ((abs‘𝑥)↑2) = (1↑2))
2322rspceeqv 3604 . . . . . . . . . . 11 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 1 = (1↑2)) → ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
2416, 18, 23mp2an 704 . . . . . . . . . 10 𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2)
25 2sq.1 . . . . . . . . . . 11 𝑆 = ran (𝑤 ∈ ℤ[i] ↦ ((abs‘𝑤)↑2))
26252sqlem1 27581 . . . . . . . . . 10 (1 ∈ 𝑆 ↔ ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
2724, 26mpbir 234 . . . . . . . . 9 1 ∈ 𝑆
2813, 27eqeltrdi 2871 . . . . . . . 8 (𝑏 ∈ (1...1) → 𝑏𝑆)
2928a1d 26 . . . . . . 7 (𝑏 ∈ (1...1) → (𝑏𝑎𝑏𝑆))
3029ralrimivw 3161 . . . . . 6 (𝑏 ∈ (1...1) → ∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
3130rgen 3081 . . . . 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 780 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
34 nncn 12236 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℂ)
3534ad2antrr 738 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → 𝑛 ∈ ℂ)
36 ax-1cn 11153 . . . . . . . . . . . . . . . 16 1 ∈ ℂ
37 pncan 11458 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((𝑛 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑛 + 1) − 1) = 𝑛)
3835, 36, 37sylancl 597 . . . . . . . . . . . . . . 15 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ((𝑛 + 1) − 1) = 𝑛)
3938oveq2d 7426 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (1...((𝑛 + 1) − 1)) = (1...𝑛))
4033, 39raleqtrrdv 3327 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ∀𝑏 ∈ (1...((𝑛 + 1) − 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
41 simprr 784 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)
42 peano2nn 12240 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 + 1) ∈ ℕ)
4342ad2antrr 738 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∈ ℕ)
44 simprl 782 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → 𝑚𝑌)
4525, 32, 40, 41, 43, 442sqlem9 27591 . . . . . . . . . . . 12 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)
4645expr 461 . . . . . . . . . . 11 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ 𝑚𝑌) → ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
4746ralrimiva 3157 . . . . . . . . . 10 ((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) → ∀𝑚𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
4847ex 417 . . . . . . . . 9 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → ∀𝑚𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
49 breq2 5113 . . . . . . . . . . 11 (𝑎 = 𝑚 → ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 ↔ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚))
5049imbi1d 344 . . . . . . . . . 10 (𝑎 = 𝑚 → (((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆) ↔ ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5150cbvralvw 3243 . . . . . . . . 9 (∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆) ↔ ∀𝑚𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
5248, 51imbitrrdi 255 . . . . . . . 8 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → ∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
53 ovex 7443 . . . . . . . . 9 (𝑛 + 1) ∈ V
54 breq1 5112 . . . . . . . . . . 11 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (𝑏𝑎 ↔ (𝑛 + 1) ∥ 𝑎))
55 eleq1 2851 . . . . . . . . . . 11 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (𝑏𝑆 ↔ (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
5654, 55imbi12d 347 . . . . . . . . . 10 (𝑏 = (𝑛 + 1) → ((𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5756ralbidv 3188 . . . . . . . . 9 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5853, 57ralsn 4647 . . . . . . . 8 (∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
5952, 58imbitrrdi 255 . . . . . . 7 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → ∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
6059ancld 559 . . . . . 6 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ∧ ∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))))
61 elnnuz 12897 . . . . . . . . 9 (𝑛 ∈ ℕ ↔ 𝑛 ∈ (ℤ‘1))
62 fzsuc 13595 . . . . . . . . 9 (𝑛 ∈ (ℤ‘1) → (1...(𝑛 + 1)) = ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)}))
6361, 62sylbi 220 . . . . . . . 8 (𝑛 ∈ ℕ → (1...(𝑛 + 1)) = ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)}))
6463raleqdv 3323 . . . . . . 7 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)})∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
65 ralunb 4150 . . . . . . 7 (∀𝑏 ∈ ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)})∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ∧ ∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
6664, 65bitrdi 290 . . . . . 6 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ∧ ∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))))
6760, 66sylibrd 262 . . . . 5 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → ∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
686, 8, 10, 12, 31, 67nnind 12246 . . . 4 (𝐵 ∈ ℕ → ∀𝑏 ∈ (1...𝐵)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
69 elfz1end 13578 . . . . 5 (𝐵 ∈ ℕ ↔ 𝐵 ∈ (1...𝐵))
7069biimpi 219 . . . 4 (𝐵 ∈ ℕ → 𝐵 ∈ (1...𝐵))
714, 68, 70rspcdva 3582 . . 3 (𝐵 ∈ ℕ → ∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆))
72 breq2 5113 . . . . 5 (𝑎 = 𝐴 → (𝐵𝑎𝐵𝐴))
7372imbi1d 344 . . . 4 (𝑎 = 𝐴 → ((𝐵𝑎𝐵𝑆) ↔ (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
7473rspcv 3577 . . 3 (𝐴𝑌 → (∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆) → (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
7571, 74syl5 35 . 2 (𝐴𝑌 → (𝐵 ∈ ℕ → (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
76753imp 1128 1 ((𝐴𝑌𝐵 ∈ ℕ ∧ 𝐵𝐴) → 𝐵𝑆)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 400  w3a 1103   = wceq 1570  wcel 2143  {cab 2741  wral 3079  wrex 3089  cun 3903  {csn 4589   class class class wbr 5109  cmpt 5192  ran crn 5662  cfv 6536  (class class class)co 7410  cc 11093  1c1 11096   + caddc 11098  cmin 11436  cn 12228  2c2 12290  cz 12586  cuz 12857  ...cfz 13530  cexp 14093  abscabs 15281  cdvds 16305   gcd cgcd 16547  ℤ[i]cgz 16984
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1825  ax-4 1839  ax-5 1940  ax-6 1997  ax-7 2038  ax-8 2145  ax-9 2153  ax-10 2176  ax-11 2192  ax-12 2213  ax-ext 2735  ax-sep 5257  ax-nul 5269  ax-pow 5336  ax-pr 5404  ax-un 7732  ax-cnex 11151  ax-resscn 11152  ax-1cn 11153  ax-icn 11154  ax-addcl 11155  ax-addrcl 11156  ax-mulcl 11157  ax-mulrcl 11158  ax-mulcom 11159  ax-addass 11160  ax-mulass 11161  ax-distr 11162  ax-i2m1 11163  ax-1ne0 11164  ax-1rid 11165  ax-rnegex 11166  ax-rrecex 11167  ax-cnre 11168  ax-pre-lttri 11169  ax-pre-lttrn 11170  ax-pre-ltadd 11171  ax-pre-mulgt0 11172  ax-pre-sup 11173
This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1810  df-nf 1814  df-sb 2097  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2838  df-nfc 2912  df-ne 2959  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3457  df-sbc 3745  df-csb 3854  df-dif 3908  df-un 3910  df-in 3912  df-ss 3922  df-pss 3925  df-nul 4287  df-if 4488  df-pw 4564  df-sn 4590  df-pr 4592  df-op 4596  df-uni 4873  df-iun 4958  df-br 5110  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-tr 5219  df-id 5556  df-eprel 5561  df-po 5569  df-so 5570  df-fr 5614  df-we 5616  df-xp 5667  df-rel 5668  df-cnv 5669  df-co 5670  df-dm 5671  df-rn 5672  df-res 5673  df-ima 5674  df-pred 6302  df-ord 6363  df-on 6364  df-lim 6365  df-suc 6366  df-iota 6492  df-fun 6538  df-fn 6539  df-f 6540  df-f1 6541  df-fo 6542  df-f1o 6543  df-fv 6544  df-riota 7367  df-ov 7413  df-oprab 7414  df-mpo 7415  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-pnf 11240  df-mnf 11241  df-xr 11242  df-ltxr 11243  df-le 11244  df-sub 11438  df-neg 11439  df-div 11867  df-nn 12229  df-2 12298  df-3 12299  df-n0 12500  df-z 12587  df-uz 12858  df-rp 13012  df-fz 13531  df-fl 13821  df-mod 13899  df-seq 14034  df-exp 14094  df-cj 15146  df-re 15147  df-im 15148  df-sqrt 15282  df-abs 15283  df-dvds 16306  df-gcd 16548  df-prm 16725  df-gz 16985
This theorem is referenced by:  2sqlem11  27593
  Copyright terms: Public domain W3C validator