Theorem 2sqlem9 27781

Description: Lemma for 2sq 27784. (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)))}
2sqlem9.5	⊢ (𝜑 → ∀𝑏 ∈ (1...(𝑀 − 1))∀𝑎 ∈ 𝑌 (𝑏 ∥ 𝑎 → 𝑏 ∈ 𝑆))
2sqlem9.7	⊢ (𝜑 → 𝑀 ∥ 𝑁)
2sqlem9.6	⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ)
2sqlem9.4	⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ 𝑌)

Assertion

Ref	Expression
2sqlem9	⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ 𝑆)

Distinct variable groups:   𝑎,𝑏,𝑤,𝑥,𝑦,𝑧   𝜑,𝑥,𝑦   𝑀,𝑎,𝑏,𝑥,𝑦,𝑧   𝑆,𝑎,𝑏,𝑥,𝑦,𝑧   𝑥,𝑁,𝑦,𝑧   𝑌,𝑎,𝑏,𝑥,𝑦

Allowed substitution hints:   𝜑(𝑧, 𝑤, 𝑎, 𝑏)   𝑆(𝑤)   𝑀(𝑤)   𝑁(𝑤, 𝑎, 𝑏)   𝑌(𝑧, 𝑤)

Proof of Theorem 2sqlem9

Dummy variables 𝑢 𝑣 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		2sqlem9.4	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ 𝑌)
2		eqeq1 2767	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑧 = 𝑁 → (𝑧 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) ↔ 𝑁 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2))))
3	2	anbi2d 642	. . . . . . 7 ⊢ (𝑧 = 𝑁 → (((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑧 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2))) ↔ ((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2)))))
4	3	2rexbidv 3231	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 = 𝑁 → (∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑧 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2))) ↔ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2)))))
5		oveq1 7447	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 = 𝑢 → (𝑥 gcd 𝑦) = (𝑢 gcd 𝑦))
6	5	eqeq1d 2765	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑥 = 𝑢 → ((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ↔ (𝑢 gcd 𝑦) = 1))
7		oveq1 7447	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑥 = 𝑢 → (𝑥↑2) = (𝑢↑2))
8	7	oveq1d 7455	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 = 𝑢 → ((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) = ((𝑢↑2) + (𝑦↑2)))
9	8	eqeq2d 2774	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑥 = 𝑢 → (𝑁 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) ↔ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑦↑2))))
10	6, 9	anbi12d 644	. . . . . . 7 ⊢ (𝑥 = 𝑢 → (((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2))) ↔ ((𝑢 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑦↑2)))))
11		oveq2 7448	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑦 = 𝑣 → (𝑢 gcd 𝑦) = (𝑢 gcd 𝑣))
12	11	eqeq1d 2765	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑦 = 𝑣 → ((𝑢 gcd 𝑦) = 1 ↔ (𝑢 gcd 𝑣) = 1))
13		oveq1 7447	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑦 = 𝑣 → (𝑦↑2) = (𝑣↑2))
14	13	oveq2d 7456	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑦 = 𝑣 → ((𝑢↑2) + (𝑦↑2)) = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2)))
15	14	eqeq2d 2774	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑦 = 𝑣 → (𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑦↑2)) ↔ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))))
16	12, 15	anbi12d 644	. . . . . . 7 ⊢ (𝑦 = 𝑣 → (((𝑢 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑦↑2))) ↔ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2)))))
17	10, 16	cbvrex2vw 3249	. . . . . 6 ⊢ (∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2))) ↔ ∃𝑢 ∈ ℤ ∃𝑣 ∈ ℤ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))))
18	4, 17	bitrdi 290	. . . . 5 ⊢ (𝑧 = 𝑁 → (∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑧 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2))) ↔ ∃𝑢 ∈ ℤ ∃𝑣 ∈ ℤ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2)))))
19		2sqlem7.2	. . . . 5 ⊢ 𝑌 = {𝑧 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ((𝑥 gcd 𝑦) = 1 ∧ 𝑧 = ((𝑥↑2) + (𝑦↑2)))}
20	18, 19	elab2g 3637	. . . 4 ⊢ (𝑁 ∈ 𝑌 → (𝑁 ∈ 𝑌 ↔ ∃𝑢 ∈ ℤ ∃𝑣 ∈ ℤ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2)))))
21	20	ibi 270	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ 𝑌 → ∃𝑢 ∈ ℤ ∃𝑣 ∈ ℤ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))))
22	1, 21	syl 18	. 2 ⊢ (𝜑 → ∃𝑢 ∈ ℤ ∃𝑣 ∈ ℤ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))))
23		simpr 490	. . . . . 6 ⊢ ((((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2)))) ∧ 𝑀 = 1) → 𝑀 = 1)
24		1z 12750	. . . . . . . . 9 ⊢ 1 ∈ ℤ
25		zgz 17137	. . . . . . . . 9 ⊢ (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ[i])
26	24, 25	ax-mp 5	. . . . . . . 8 ⊢ 1 ∈ ℤ[i]
27		sq1 14362	. . . . . . . . 9 ⊢ (1↑2) = 1
28	27	eqcomi 2772	. . . . . . . 8 ⊢ 1 = (1↑2)
29		fveq2 6905	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = (abs‘1))
30		abs1 15490	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (abs‘1) = 1
31	29, 30	eqtrdi 2814	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑥 = 1 → (abs‘𝑥) = 1)
32	31	oveq1d 7455	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑥 = 1 → ((abs‘𝑥)↑2) = (1↑2))
33	32	rspceeqv 3602	. . . . . . . 8 ⊢ ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 1 = (1↑2)) → ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
34	26, 28, 33	mp2an 705	. . . . . . 7 ⊢ ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2)
35		2sq.1	. . . . . . . 8 ⊢ 𝑆 = ran (𝑤 ∈ ℤ[i] ↦ ((abs‘𝑤)↑2))
36	35	2sqlem1 27771	. . . . . . 7 ⊢ (1 ∈ 𝑆 ↔ ∃𝑥 ∈ ℤ[i] 1 = ((abs‘𝑥)↑2))
37	34, 36	mpbir 234	. . . . . 6 ⊢ 1 ∈ 𝑆
38	23, 37	eqeltrdi 2872	. . . . 5 ⊢ ((((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2)))) ∧ 𝑀 = 1) → 𝑀 ∈ 𝑆)
39		2sqlem9.5	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ∀𝑏 ∈ (1...(𝑀 − 1))∀𝑎 ∈ 𝑌 (𝑏 ∥ 𝑎 → 𝑏 ∈ 𝑆))
40	39	ad2antrr 739	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → ∀𝑏 ∈ (1...(𝑀 − 1))∀𝑎 ∈ 𝑌 (𝑏 ∥ 𝑎 → 𝑏 ∈ 𝑆))
41		2sqlem9.7	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∥ 𝑁)
42	41	ad2antrr 739	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → 𝑀 ∥ 𝑁)
43	35, 19	2sqlem7 27778	. . . . . . . . . 10 ⊢ 𝑌 ⊆ (𝑆 ∩ ℕ)
44		inss2 4137	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑆 ∩ ℕ) ⊆ ℕ
45	43, 44	sstri 3922	. . . . . . . . 9 ⊢ 𝑌 ⊆ ℕ
46	45, 1	sselid 3911	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
47	46	ad2antrr 739	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → 𝑁 ∈ ℕ)
48		2sqlem9.6	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ)
49	48	ad2antrr 739	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → 𝑀 ∈ ℕ)
50		simprr 785	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → 𝑀 ≠ 1)
51		eluz2b3 13073	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑀 ∈ (ℤ≥‘2) ↔ (𝑀 ∈ ℕ ∧ 𝑀 ≠ 1))
52	49, 50, 51	sylanbrc 595	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → 𝑀 ∈ (ℤ≥‘2))
53		simplrl 789	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → 𝑢 ∈ ℤ)
54		simplrr 790	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → 𝑣 ∈ ℤ)
55		simprll 791	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → (𝑢 gcd 𝑣) = 1)
56		simprlr 792	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2)))
57		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑢 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) = (((𝑢 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2))
58		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑣 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) = (((𝑣 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2))
59		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑢 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) / ((((𝑢 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) gcd (((𝑣 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)))) = ((((𝑢 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) / ((((𝑢 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) gcd (((𝑣 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2))))
60		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑣 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) / ((((𝑢 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) gcd (((𝑣 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)))) = ((((𝑣 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) / ((((𝑢 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2)) gcd (((𝑣 + (𝑀 / 2)) mod 𝑀) − (𝑀 / 2))))
61	35, 19, 40, 42, 47, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60	2sqlem8 27780	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) ∧ 𝑀 ≠ 1)) → 𝑀 ∈ 𝑆)
62	61	anassrs 473	. . . . 5 ⊢ ((((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2)))) ∧ 𝑀 ≠ 1) → 𝑀 ∈ 𝑆)
63	38, 62	pm2.61dane 3046	. . . 4 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) ∧ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2)))) → 𝑀 ∈ 𝑆)
64	63	ex 418	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑢 ∈ ℤ ∧ 𝑣 ∈ ℤ)) → (((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) → 𝑀 ∈ 𝑆))
65	64	rexlimdvva 3223	. 2 ⊢ (𝜑 → (∃𝑢 ∈ ℤ ∃𝑣 ∈ ℤ ((𝑢 gcd 𝑣) = 1 ∧ 𝑁 = ((𝑢↑2) + (𝑣↑2))) → 𝑀 ∈ 𝑆))
66	22, 65	mpd 16	1 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ 𝑆)

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   = wceq 1570   ∈ wcel 2147  {cab 2741   ≠ wne 2959  ∀wral 3080  ∃wrex 3090   ∩ cin 4092   class class class wbr 5106   ↦ cmpt 5189  ran crn 5656  ‘cfv 6555  (class class class)co 7440  1c1 11225   + caddc 11227   − cmin 11565   / cdiv 11997  ℕcn 12359  2c2 12421  ℤcz 12717  ℤ_≥cuz 12989  ...cfz 13663   mod cmo 14033  ↑cexp 14228  abscabs 15427   ∥ cdvds 16448   gcd cgcd 16690  ℤ[i]cgz 17133

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 1945  ax-6 2002  ax-7 2043  ax-8 2149  ax-9 2157  ax-10 2180  ax-11 2197  ax-12 2216  ax-ext 2735  ax-sep 5252  ax-nul 5263  ax-pow 5331  ax-pr 5395  ax-un 7772  ax-cnex 11280  ax-resscn 11281  ax-1cn 11282  ax-icn 11283  ax-addcl 11284  ax-addrcl 11285  ax-mulcl 11286  ax-mulrcl 11287  ax-mulcom 11288  ax-addass 11289  ax-mulass 11290  ax-distr 11291  ax-i2m1 11292  ax-1ne0 11293  ax-1rid 11294  ax-rnegex 11295  ax-rrecex 11296  ax-cnre 11297  ax-pre-lttri 11298  ax-pre-lttrn 11299  ax-pre-ltadd 11300  ax-pre-mulgt0 11301  ax-pre-sup 11302

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 2102  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2839  df-nfc 2913  df-ne 2960  df-nel 3066  df-ral 3081  df-rex 3091  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3456  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-ss 3901  df-pss 4017  df-dif 4050  df-in 4094  df-un 4154  df-nul 4282  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4589  df-pr 4591  df-op 4839  df-uni 4871  df-iun 4956  df-br 5107  df-opab 5171  df-mpt 5190  df-tr 5216  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 6319  df-ord 6380  df-on 6381  df-lim 6382  df-suc 6383  df-iota 6509  df-fun 6557  df-fn 6558  df-f 6559  df-f1 6560  df-fo 6561  df-f1o 6562  df-fv 6563  df-riota 7397  df-ov 7443  df-oprab 7444  df-mpo 7445  df-om 7899  df-1st 8022  df-2nd 8023  df-frecs 8324  df-wrecs 8355  df-recs 8404  df-rdg 8443  df-1o 8501  df-2o 8502  df-er 8742  df-en 8999  df-dom 9000  df-sdom 9001  df-fin 9002  df-sup 9458  df-inf 9459  df-pnf 11369  df-mnf 11370  df-xr 11371  df-ltxr 11372  df-le 11373  df-sub 11567  df-neg 11568  df-div 11998  df-nn 12360  df-2 12429  df-3 12430  df-n0 12631  df-z 12718  df-uz 12990  df-rp 13145  df-fz 13664  df-fl 13956  df-mod 14034  df-seq 14169  df-exp 14229  df-cj 15292  df-re 15293  df-im 15294  df-sqrt 15428  df-abs 15429  df-dvds 16449  df-gcd 16691  df-prm 16873  df-gz 17134

This theorem is used by:  2sqlem10  27782