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

Theorem 2sqlem10 27667
Description: Lemma for 2sq 27669. 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 5106 . . . . . 6 (𝑏 = 𝐵 → (𝑏𝑎𝐵𝑎))
2 eleq1 2848 . . . . . 6 (𝑏 = 𝐵 → (𝑏𝑆𝐵𝑆))
31, 2imbi12d 347 . . . . 5 (𝑏 = 𝐵 → ((𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ (𝐵𝑎𝐵𝑆)))
43ralbidv 3185 . . . 4 (𝑏 = 𝐵 → (∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆)))
5 oveq2 7422 . . . . . 6 (𝑚 = 1 → (1...𝑚) = (1...1))
65raleqdv 3319 . . . . 5 (𝑚 = 1 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...1)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
7 oveq2 7422 . . . . . 6 (𝑚 = 𝑛 → (1...𝑚) = (1...𝑛))
87raleqdv 3319 . . . . 5 (𝑚 = 𝑛 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
9 oveq2 7422 . . . . . 6 (𝑚 = (𝑛 + 1) → (1...𝑚) = (1...(𝑛 + 1)))
109raleqdv 3319 . . . . 5 (𝑚 = (𝑛 + 1) → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
11 oveq2 7422 . . . . . 6 (𝑚 = 𝐵 → (1...𝑚) = (1...𝐵))
1211raleqdv 3319 . . . . 5 (𝑚 = 𝐵 → (∀𝑏 ∈ (1...𝑚)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ (1...𝐵)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
13 elfz1eq 13592 . . . . . . . . 9 (𝑏 ∈ (1...1) → 𝑏 = 1)
14 1z 12651 . . . . . . . . . . . 12 1 ∈ ℤ
15 zgz 17028 . . . . . . . . . . . 12 (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ[i])
1614, 15ax-mp 5 . . . . . . . . . . 11 1 ∈ ℤ[i]
17 sq1 14262 . . . . . . . . . . . 12 (1↑2) = 1
1817eqcomi 2769 . . . . . . . . . . 11 1 = (1↑2)
19 fveq2 6879 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = (abs‘1))
20 abs1 15387 . . . . . . . . . . . . . 14 (abs‘1) = 1
2119, 20eqtrdi 2811 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = 1)
2221oveq1d 7429 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 = 1 → ((abs‘𝑥)↑2) = (1↑2))
2322rspceeqv 3599 . . . . . . . . . . 11 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 1 = (1↑2)) → ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
2416, 18, 23mp2an 705 . . . . . . . . . 10 𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2)
25 2sq.1 . . . . . . . . . . 11 𝑆 = ran (𝑤 ∈ ℤ[i] ↦ ((abs‘𝑤)↑2))
26252sqlem1 27656 . . . . . . . . . 10 (1 ∈ 𝑆 ↔ ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
2724, 26mpbir 234 . . . . . . . . 9 1 ∈ 𝑆
2813, 27eqeltrdi 2868 . . . . . . . 8 (𝑏 ∈ (1...1) → 𝑏𝑆)
2928a1d 26 . . . . . . 7 (𝑏 ∈ (1...1) → (𝑏𝑎𝑏𝑆))
3029ralrimivw 3158 . . . . . 6 (𝑏 ∈ (1...1) → ∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
3130rgen 3078 . . . . 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 781 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
34 nncn 12268 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (𝑛 ∈ ℕ → 𝑛 ∈ ℂ)
3534ad2antrr 739 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → 𝑛 ∈ ℂ)
36 ax-1cn 11185 . . . . . . . . . . . . . . . 16 1 ∈ ℂ
37 pncan 11490 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((𝑛 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑛 + 1) − 1) = 𝑛)
3835, 36, 37sylancl 598 . . . . . . . . . . . . . . 15 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ((𝑛 + 1) − 1) = 𝑛)
3938oveq2d 7430 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (1...((𝑛 + 1) − 1)) = (1...𝑛))
4033, 39raleqtrrdv 3323 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → ∀𝑏 ∈ (1...((𝑛 + 1) − 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
41 simprr 785 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)
42 peano2nn 12272 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑛 ∈ ℕ → (𝑛 + 1) ∈ ℕ)
4342ad2antrr 739 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∈ ℕ)
44 simprl 783 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → 𝑚𝑌)
4525, 32, 40, 41, 43, 442sqlem9 27666 . . . . . . . . . . . 12 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ (𝑚𝑌 ∧ (𝑛 + 1) ∥ 𝑚)) → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)
4645expr 462 . . . . . . . . . . 11 (((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) ∧ 𝑚𝑌) → ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
4746ralrimiva 3154 . . . . . . . . . 10 ((𝑛 ∈ ℕ ∧ ∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)) → ∀𝑚𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
4847ex 418 . . . . . . . . 9 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → ∀𝑚𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑚 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
49 breq2 5107 . . . . . . . . . . 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 3240 . . . . . . . . 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 7447 . . . . . . . . 9 (𝑛 + 1) ∈ V
54 breq1 5106 . . . . . . . . . . 11 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (𝑏𝑎 ↔ (𝑛 + 1) ∥ 𝑎))
55 eleq1 2848 . . . . . . . . . . 11 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (𝑏𝑆 ↔ (𝑛 + 1) ∈ 𝑆))
5654, 55imbi12d 347 . . . . . . . . . 10 (𝑏 = (𝑛 + 1) → ((𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5756ralbidv 3185 . . . . . . . . 9 (𝑏 = (𝑛 + 1) → (∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑎𝑌 ((𝑛 + 1) ∥ 𝑎 → (𝑛 + 1) ∈ 𝑆)))
5853, 57ralsn 4642 . . . . . . . 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 560 . . . . . 6 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) → (∀𝑏 ∈ (1...𝑛)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ∧ ∀𝑏 ∈ {(𝑛 + 1)}∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))))
61 elnnuz 12930 . . . . . . . . 9 (𝑛 ∈ ℕ ↔ 𝑛 ∈ (ℤ‘1))
62 fzsuc 13629 . . . . . . . . 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 3319 . . . . . . 7 (𝑛 ∈ ℕ → (∀𝑏 ∈ (1...(𝑛 + 1))∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆) ↔ ∀𝑏 ∈ ((1...𝑛) ∪ {(𝑛 + 1)})∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆)))
65 ralunb 4143 . . . . . . 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 12278 . . . 4 (𝐵 ∈ ℕ → ∀𝑏 ∈ (1...𝐵)∀𝑎𝑌 (𝑏𝑎𝑏𝑆))
69 elfz1end 13612 . . . . 5 (𝐵 ∈ ℕ ↔ 𝐵 ∈ (1...𝐵))
7069biimpi 219 . . . 4 (𝐵 ∈ ℕ → 𝐵 ∈ (1...𝐵))
714, 68, 70rspcdva 3577 . . 3 (𝐵 ∈ ℕ → ∀𝑎𝑌 (𝐵𝑎𝐵𝑆))
72 breq2 5107 . . . . 5 (𝑎 = 𝐴 → (𝐵𝑎𝐵𝐴))
7372imbi1d 344 . . . 4 (𝑎 = 𝐴 → ((𝐵𝑎𝐵𝑆) ↔ (𝐵𝐴𝐵𝑆)))
7473rspcv 3572 . . 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
This proof depends on syntax axioms:  wi 4  wa 401  w3a 1103   = wceq 1570  wcel 2145  {cab 2738  wral 3076  wrex 3086  cun 3897  {csn 4584   class class class wbr 5103  cmpt 5186  ran crn 5656  cfv 6533  (class class class)co 7414  cc 11125  1c1 11128   + caddc 11130  cmin 11468  cn 12260  2c2 12322  cz 12618  cuz 12890  ...cfz 13564  cexp 14128  abscabs 15324  cdvds 16345   gcd cgcd 16587  ℤ[i]cgz 17024
This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1943  ax-6 2000  ax-7 2041  ax-8 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2213  ax-ext 2732  ax-sep 5251  ax-nul 5263  ax-pow 5330  ax-pr 5398  ax-un 7737  ax-cnex 11183  ax-resscn 11184  ax-1cn 11185  ax-icn 11186  ax-addcl 11187  ax-addrcl 11188  ax-mulcl 11189  ax-mulrcl 11190  ax-mulcom 11191  ax-addass 11192  ax-mulass 11193  ax-distr 11194  ax-i2m1 11195  ax-1ne0 11196  ax-1rid 11197  ax-rnegex 11198  ax-rrecex 11199  ax-cnre 11200  ax-pre-lttri 11201  ax-pre-lttrn 11202  ax-pre-ltadd 11203  ax-pre-mulgt0 11204  ax-pre-sup 11205
This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2100  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 3740  df-csb 3848  df-dif 3902  df-un 3904  df-in 3906  df-ss 3916  df-pss 3919  df-nul 4280  df-if 4483  df-pw 4559  df-sn 4585  df-pr 4587  df-op 4591  df-uni 4868  df-iun 4953  df-br 5104  df-opab 5168  df-mpt 5187  df-tr 5213  df-id 5550  df-eprel 5555  df-po 5563  df-so 5564  df-fr 5608  df-we 5610  df-xp 5661  df-rel 5662  df-cnv 5663  df-co 5664  df-dm 5665  df-rn 5666  df-res 5667  df-ima 5668  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-riota 7371  df-ov 7417  df-oprab 7418  df-mpo 7419  df-om 7864  df-1st 7987  df-2nd 7988  df-frecs 8281  df-wrecs 8312  df-recs 8361  df-rdg 8400  df-1o 8458  df-2o 8459  df-er 8699  df-en 8956  df-dom 8957  df-sdom 8958  df-fin 8959  df-sup 9415  df-inf 9416  df-pnf 11272  df-mnf 11273  df-xr 11274  df-ltxr 11275  df-le 11276  df-sub 11470  df-neg 11471  df-div 11899  df-nn 12261  df-2 12330  df-3 12331  df-n0 12532  df-z 12619  df-uz 12891  df-rp 13046  df-fz 13565  df-fl 13856  df-mod 13934  df-seq 14069  df-exp 14129  df-cj 15189  df-re 15190  df-im 15191  df-sqrt 15325  df-abs 15326  df-dvds 16346  df-gcd 16588  df-prm 16765  df-gz 17025
This theorem is used by:  2sqlem11  27668
  Copyright terms: Public domain W3C validator