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

Theorem 2sqlem10 27339
Description: Lemma for 2sq 27341. 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 5110 . . . . . 6 (𝑏 = 𝐵 → (𝑏𝑎𝐵𝑎))
2 eleq1 2816 . . . . . 6 (𝑏 = 𝐵 → (𝑏𝑆𝐵𝑆))
31, 2imbi12d 344 . . . . 5 (𝑏 = 𝐵 → ((𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ (𝐵𝑎𝐵𝑆)))
43ralbidv 3156 . . . 4 (𝑏 = 𝐵 → (∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆)))
5 oveq2 7395 . . . . . 6 (𝑚 = 1 → (1...𝑚) = (1...1))
65raleqdv 3299 . . . . 5 (𝑚 = 1 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...1)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
7 oveq2 7395 . . . . . 6 (𝑚 = 𝑛 → (1...𝑚) = (1...𝑛))
87raleqdv 3299 . . . . 5 (𝑚 = 𝑛 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
9 oveq2 7395 . . . . . 6 (𝑚 = (𝑛 + 1) → (1...𝑚) = (1...(𝑛 + 1)))
109raleqdv 3299 . . . . 5 (𝑚 = (𝑛 + 1) → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
11 oveq2 7395 . . . . . 6 (𝑚 = 𝐵 → (1...𝑚) = (1...𝐵))
1211raleqdv 3299 . . . . 5 (𝑚 = 𝐵 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...𝐵)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
13 elfz1eq 13496 . . . . . . . . 9 (𝑏 ∈ (1...1) → 𝑏 = 1)
14 1z 12563 . . . . . . . . . . . 12 1 ∈ ℤ
15 zgz 16904 . . . . . . . . . . . 12 (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ[i])
1614, 15ax-mp 5 . . . . . . . . . . 11 1 ∈ ℤ[i]
17 sq1 14160 . . . . . . . . . . . 12 (1↑2) = 1
1817eqcomi 2738 . . . . . . . . . . 11 1 = (1↑2)
19 fveq2 6858 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = (abs‘1))
20 abs1 15263 . . . . . . . . . . . . . 14 (abs‘1) = 1
2119, 20eqtrdi 2780 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = 1)
2221oveq1d 7402 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 = 1 → ((abs‘𝑥)↑2) = (1↑2))
2322rspceeqv 3611 . . . . . . . . . . 11 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 1 = (1↑2)) → ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
2416, 18, 23mp2an 692 . . . . . . . . . 10 𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2)
25 2sq.1 . . . . . . . . . . 11 𝑆 = ran (𝑤 ∈ ℤ[i] ↦ ((abs‘𝑤)↑2))
26252sqlem1 27328 . . . . . . . . . 10 (1 ∈ 𝑆 ↔ ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
2724, 26mpbir 231 . . . . . . . . 9 1 ∈ 𝑆
2813, 27eqeltrdi 2836 . . . . . . . 8 (𝑏 ∈ (1...1) → 𝑏𝑆)
2928a1d 25 . . . . . . 7 (𝑏 ∈ (1...1) → (𝑏𝑎𝑏𝑆))
3029ralrimivw 3129 . . . . . 6 (𝑏 ∈ (1...1) → ∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
3130rgen 3046 . . . . 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 768 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
34 nncn 12194 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℂ)
3534ad2antrr 726 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → 𝑛 ∈ ℂ)
36 ax-1cn 11126 . . . . . . . . . . . . . . . 16 1 ∈ ℂ
37 pncan 11427 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((𝑛 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑛 + 1) − 1) = 𝑛)
3835, 36, 37sylancl 586 . . . . . . . . . . . . . . 15 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ((𝑛 + 1) − 1) = 𝑛)
3938oveq2d 7403 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (1...((𝑛 + 1) − 1)) = (1...𝑛))
4033, 39raleqtrrdv 3303 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ∀𝑏 ∈ (1...((𝑛 + 1) − 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
41 simprr 772 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)
42 peano2nn 12198 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 + 1) ∈ ℕ)
4342ad2antrr 726 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∈ ℕ)
44 simprl 770 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → 𝑚𝑌)
4525, 32, 40, 41, 43, 442sqlem9 27338 . . . . . . . . . . . 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 3125 . . . . . . . . . 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 5111 . . . . . . . . . . 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 3215 . . . . . . . . 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 7420 . . . . . . . . 9 (𝑛 + 1) ∈ V
54 breq1 5110 . . . . . . . . . . 11 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (𝑏𝑎 ↔ (𝑛 + 1) ∥ 𝑎))
55 eleq1 2816 . . . . . . . . . . 11 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (𝑏𝑆 ↔ (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
5654, 55imbi12d 344 . . . . . . . . . 10 (𝑏 = (𝑛 + 1) → ((𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5756ralbidv 3156 . . . . . . . . 9 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5853, 57ralsn 4645 . . . . . . . 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 12837 . . . . . . . . 9 (𝑛 ∈ ℕ ↔ 𝑛 ∈ (ℤ‘1))
62 fzsuc 13532 . . . . . . . . 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 3299 . . . . . . 7 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)})∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
65 ralunb 4160 . . . . . . 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 12204 . . . 4 (𝐵 ∈ ℕ → ∀𝑏 ∈ (1...𝐵)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
69 elfz1end 13515 . . . . 5 (𝐵 ∈ ℕ ↔ 𝐵 ∈ (1...𝐵))
7069biimpi 216 . . . 4 (𝐵 ∈ ℕ → 𝐵 ∈ (1...𝐵))
714, 68, 70rspcdva 3589 . . 3 (𝐵 ∈ ℕ → ∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆))
72 breq2 5111 . . . . 5 (𝑎 = 𝐴 → (𝐵𝑎𝐵𝐴))
7372imbi1d 341 . . . 4 (𝑎 = 𝐴 → ((𝐵𝑎𝐵𝑆) ↔ (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
7473rspcv 3584 . . 3 (𝐴𝑌 → (∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆) → (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
7571, 74syl5 34 . 2 (𝐴𝑌 → (𝐵 ∈ ℕ → (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
76753imp 1110 1 ((𝐴𝑌𝐵 ∈ ℕ ∧ 𝐵𝐴) → 𝐵𝑆)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 395  w3a 1086   = wceq 1540  wcel 2109  {cab 2707  wral 3044  wrex 3053  cun 3912  {csn 4589   class class class wbr 5107  cmpt 5188  ran crn 5639  cfv 6511  (class class class)co 7387  cc 11066  1c1 11069   + caddc 11071  cmin 11405  cn 12186  2c2 12241  cz 12529  cuz 12793  ...cfz 13468  cexp 14026  abscabs 15200  cdvds 16222   gcd cgcd 16464  ℤ[i]cgz 16900
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1795  ax-4 1809  ax-5 1910  ax-6 1967  ax-7 2008  ax-8 2111  ax-9 2119  ax-10 2142  ax-11 2158  ax-12 2178  ax-ext 2701  ax-sep 5251  ax-nul 5261  ax-pow 5320  ax-pr 5387  ax-un 7711  ax-cnex 11124  ax-resscn 11125  ax-1cn 11126  ax-icn 11127  ax-addcl 11128  ax-addrcl 11129  ax-mulcl 11130  ax-mulrcl 11131  ax-mulcom 11132  ax-addass 11133  ax-mulass 11134  ax-distr 11135  ax-i2m1 11136  ax-1ne0 11137  ax-1rid 11138  ax-rnegex 11139  ax-rrecex 11140  ax-cnre 11141  ax-pre-lttri 11142  ax-pre-lttrn 11143  ax-pre-ltadd 11144  ax-pre-mulgt0 11145  ax-pre-sup 11146
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2066  df-mo 2533  df-eu 2562  df-clab 2708  df-cleq 2721  df-clel 2803  df-nfc 2878  df-ne 2926  df-nel 3030  df-ral 3045  df-rex 3054  df-rmo 3354  df-reu 3355  df-rab 3406  df-v 3449  df-sbc 3754  df-csb 3863  df-dif 3917  df-un 3919  df-in 3921  df-ss 3931  df-pss 3934  df-nul 4297  df-if 4489  df-pw 4565  df-sn 4590  df-pr 4592  df-op 4596  df-uni 4872  df-iun 4957  df-br 5108  df-opab 5170  df-mpt 5189  df-tr 5215  df-id 5533  df-eprel 5538  df-po 5546  df-so 5547  df-fr 5591  df-we 5593  df-xp 5644  df-rel 5645  df-cnv 5646  df-co 5647  df-dm 5648  df-rn 5649  df-res 5650  df-ima 5651  df-pred 6274  df-ord 6335  df-on 6336  df-lim 6337  df-suc 6338  df-iota 6464  df-fun 6513  df-fn 6514  df-f 6515  df-f1 6516  df-fo 6517  df-f1o 6518  df-fv 6519  df-riota 7344  df-ov 7390  df-oprab 7391  df-mpo 7392  df-om 7843  df-1st 7968  df-2nd 7969  df-frecs 8260  df-wrecs 8291  df-recs 8340  df-rdg 8378  df-1o 8434  df-2o 8435  df-er 8671  df-en 8919  df-dom 8920  df-sdom 8921  df-fin 8922  df-sup 9393  df-inf 9394  df-pnf 11210  df-mnf 11211  df-xr 11212  df-ltxr 11213  df-le 11214  df-sub 11407  df-neg 11408  df-div 11836  df-nn 12187  df-2 12249  df-3 12250  df-n0 12443  df-z 12530  df-uz 12794  df-rp 12952  df-fz 13469  df-fl 13754  df-mod 13832  df-seq 13967  df-exp 14027  df-cj 15065  df-re 15066  df-im 15067  df-sqrt 15201  df-abs 15202  df-dvds 16223  df-gcd 16465  df-prm 16642  df-gz 16901
This theorem is referenced by:  2sqlem11  27340
  Copyright terms: Public domain W3C validator