MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  4sqlem19 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem 4sqlem19 16997
Description: Lemma for 4sq 16998. The proof is by strong induction - we show that if all the integers less than 𝑘 are in 𝑆, then 𝑘 is as well. In this part of the proof we do the induction argument and dispense with all the cases except the odd prime case, which is sent to 4sqlem18 16996. If 𝑘 is 0, 1, 2, we show 𝑘𝑆 directly; otherwise if 𝑘 is composite, 𝑘 is the product of two numbers less than it (and hence in 𝑆 by assumption), so by mul4sq 16988 𝑘𝑆. (Contributed by Mario Carneiro, 14-Jul-2014.) (Revised by Mario Carneiro, 20-Jun-2015.)
Hypothesis
Ref Expression
4sq.1 𝑆 = {𝑛 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ∃𝑧 ∈ ℤ ∃𝑤 ∈ ℤ 𝑛 = (((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) + ((𝑧↑2) + (𝑤↑2)))}
Assertion
Ref Expression
4sqlem19 0 = 𝑆
Distinct variable groups:   𝑤,𝑛,𝑥,𝑦,𝑧   𝑆,𝑛
Allowed substitution hints:   𝑆(𝑥,𝑦,𝑧,𝑤)

Proof of Theorem 4sqlem19
Dummy variables 𝑗 𝑘 𝑖 𝑚 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 elnn0 12526 . . . 4 (𝑘 ∈ ℕ0 ↔ (𝑘 ∈ ℕ ∨ 𝑘 = 0))
2 eleq1 2827 . . . . . 6 (𝑗 = 1 → (𝑗𝑆 ↔ 1 ∈ 𝑆))
3 eleq1 2827 . . . . . 6 (𝑗 = 𝑚 → (𝑗𝑆𝑚𝑆))
4 eleq1 2827 . . . . . 6 (𝑗 = 𝑖 → (𝑗𝑆𝑖𝑆))
5 eleq1 2827 . . . . . 6 (𝑗 = (𝑚 · 𝑖) → (𝑗𝑆 ↔ (𝑚 · 𝑖) ∈ 𝑆))
6 eleq1 2827 . . . . . 6 (𝑗 = 𝑘 → (𝑗𝑆𝑘𝑆))
7 abs1 15333 . . . . . . . . . . 11 (abs‘1) = 1
87oveq1i 7441 . . . . . . . . . 10 ((abs‘1)↑2) = (1↑2)
9 sq1 14231 . . . . . . . . . 10 (1↑2) = 1
108, 9eqtri 2763 . . . . . . . . 9 ((abs‘1)↑2) = 1
11 abs0 15321 . . . . . . . . . . 11 (abs‘0) = 0
1211oveq1i 7441 . . . . . . . . . 10 ((abs‘0)↑2) = (0↑2)
13 sq0 14228 . . . . . . . . . 10 (0↑2) = 0
1412, 13eqtri 2763 . . . . . . . . 9 ((abs‘0)↑2) = 0
1510, 14oveq12i 7443 . . . . . . . 8 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = (1 + 0)
16 1p0e1 12388 . . . . . . . 8 (1 + 0) = 1
1715, 16eqtri 2763 . . . . . . 7 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = 1
18 1z 12645 . . . . . . . . 9 1 ∈ ℤ
19 zgz 16967 . . . . . . . . 9 (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ[i])
2018, 19ax-mp 5 . . . . . . . 8 1 ∈ ℤ[i]
21 0z 12622 . . . . . . . . 9 0 ∈ ℤ
22 zgz 16967 . . . . . . . . 9 (0 ∈ ℤ → 0 ∈ ℤ[i])
2321, 22ax-mp 5 . . . . . . . 8 0 ∈ ℤ[i]
24 4sq.1 . . . . . . . . 9 𝑆 = {𝑛 ∣ ∃𝑥 ∈ ℤ ∃𝑦 ∈ ℤ ∃𝑧 ∈ ℤ ∃𝑤 ∈ ℤ 𝑛 = (((𝑥↑2) + (𝑦↑2)) + ((𝑧↑2) + (𝑤↑2)))}
25244sqlem4a 16985 . . . . . . . 8 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 0 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆)
2620, 23, 25mp2an 692 . . . . . . 7 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆
2717, 26eqeltrri 2836 . . . . . 6 1 ∈ 𝑆
28 eleq1 2827 . . . . . . 7 (𝑗 = 2 → (𝑗𝑆 ↔ 2 ∈ 𝑆))
29 eldifsn 4791 . . . . . . . . 9 (𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ↔ (𝑗 ∈ ℙ ∧ 𝑗 ≠ 2))
30 oddprm 16844 . . . . . . . . . . 11 (𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) → ((𝑗 − 1) / 2) ∈ ℕ)
3130adantr 480 . . . . . . . . . 10 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((𝑗 − 1) / 2) ∈ ℕ)
32 eldifi 4141 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑗 ∈ ℙ)
3332adantr 480 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗 ∈ ℙ)
34 prmnn 16708 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 ∈ ℙ → 𝑗 ∈ ℕ)
35 nncn 12272 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℂ)
3633, 34, 353syl 18 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗 ∈ ℂ)
37 ax-1cn 11211 . . . . . . . . . . . . . 14 1 ∈ ℂ
38 subcl 11505 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → (𝑗 − 1) ∈ ℂ)
3936, 37, 38sylancl 586 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (𝑗 − 1) ∈ ℂ)
40 2cnd 12342 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 2 ∈ ℂ)
41 2ne0 12368 . . . . . . . . . . . . . 14 2 ≠ 0
4241a1i 11 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 2 ≠ 0)
4339, 40, 42divcan2d 12043 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (2 · ((𝑗 − 1) / 2)) = (𝑗 − 1))
4443oveq1d 7446 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((2 · ((𝑗 − 1) / 2)) + 1) = ((𝑗 − 1) + 1))
45 npcan 11515 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑗 − 1) + 1) = 𝑗)
4636, 37, 45sylancl 586 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((𝑗 − 1) + 1) = 𝑗)
4744, 46eqtr2d 2776 . . . . . . . . . 10 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗 = ((2 · ((𝑗 − 1) / 2)) + 1))
4843oveq2d 7447 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...(2 · ((𝑗 − 1) / 2))) = (0...(𝑗 − 1)))
49 nnm1nn0 12565 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 ∈ ℕ → (𝑗 − 1) ∈ ℕ0)
5033, 34, 493syl 18 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (𝑗 − 1) ∈ ℕ0)
51 elnn0uz 12921 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 − 1) ∈ ℕ0 ↔ (𝑗 − 1) ∈ (ℤ‘0))
5250, 51sylib 218 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (𝑗 − 1) ∈ (ℤ‘0))
53 eluzfz1 13568 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 − 1) ∈ (ℤ‘0) → 0 ∈ (0...(𝑗 − 1)))
54 fzsplit 13587 . . . . . . . . . . . . 13 (0 ∈ (0...(𝑗 − 1)) → (0...(𝑗 − 1)) = ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))))
5552, 53, 543syl 18 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...(𝑗 − 1)) = ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))))
5648, 55eqtrd 2775 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...(2 · ((𝑗 − 1) / 2))) = ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))))
57 fz0sn 13664 . . . . . . . . . . . . . 14 (0...0) = {0}
5814, 14oveq12i 7443 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = (0 + 0)
59 00id 11434 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (0 + 0) = 0
6058, 59eqtri 2763 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = 0
61244sqlem4a 16985 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 ((0 ∈ ℤ[i] ∧ 0 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆)
6223, 23, 61mp2an 692 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆
6360, 62eqeltrri 2836 . . . . . . . . . . . . . . 15 0 ∈ 𝑆
64 snssi 4813 . . . . . . . . . . . . . . 15 (0 ∈ 𝑆 → {0} ⊆ 𝑆)
6563, 64ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . 14 {0} ⊆ 𝑆
6657, 65eqsstri 4030 . . . . . . . . . . . . 13 (0...0) ⊆ 𝑆
6766a1i 11 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...0) ⊆ 𝑆)
68 0p1e1 12386 . . . . . . . . . . . . . 14 (0 + 1) = 1
6968oveq1i 7441 . . . . . . . . . . . . 13 ((0 + 1)...(𝑗 − 1)) = (1...(𝑗 − 1))
70 simpr 484 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆)
71 dfss3 3984 . . . . . . . . . . . . . 14 ((1...(𝑗 − 1)) ⊆ 𝑆 ↔ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆)
7270, 71sylibr 234 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (1...(𝑗 − 1)) ⊆ 𝑆)
7369, 72eqsstrid 4044 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((0 + 1)...(𝑗 − 1)) ⊆ 𝑆)
7467, 73unssd 4202 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))) ⊆ 𝑆)
7556, 74eqsstrd 4034 . . . . . . . . . 10 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → (0...(2 · ((𝑗 − 1) / 2))) ⊆ 𝑆)
76 oveq1 7438 . . . . . . . . . . . 12 (𝑘 = 𝑖 → (𝑘 · 𝑗) = (𝑖 · 𝑗))
7776eleq1d 2824 . . . . . . . . . . 11 (𝑘 = 𝑖 → ((𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆 ↔ (𝑖 · 𝑗) ∈ 𝑆))
7877cbvrabv 3444 . . . . . . . . . 10 {𝑘 ∈ ℕ ∣ (𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆} = {𝑖 ∈ ℕ ∣ (𝑖 · 𝑗) ∈ 𝑆}
79 eqid 2735 . . . . . . . . . 10 inf({𝑘 ∈ ℕ ∣ (𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆}, ℝ, < ) = inf({𝑘 ∈ ℕ ∣ (𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆}, ℝ, < )
8024, 31, 47, 33, 75, 78, 794sqlem18 16996 . . . . . . . . 9 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗𝑆)
8129, 80sylanbr 582 . . . . . . . 8 (((𝑗 ∈ ℙ ∧ 𝑗 ≠ 2) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗𝑆)
8281an32s 652 . . . . . . 7 (((𝑗 ∈ ℙ ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) ∧ 𝑗 ≠ 2) → 𝑗𝑆)
8310, 10oveq12i 7443 . . . . . . . . . 10 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) = (1 + 1)
84 df-2 12327 . . . . . . . . . 10 2 = (1 + 1)
8583, 84eqtr4i 2766 . . . . . . . . 9 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) = 2
86244sqlem4a 16985 . . . . . . . . . 10 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 1 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) ∈ 𝑆)
8720, 20, 86mp2an 692 . . . . . . . . 9 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) ∈ 𝑆
8885, 87eqeltrri 2836 . . . . . . . 8 2 ∈ 𝑆
8988a1i 11 . . . . . . 7 ((𝑗 ∈ ℙ ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 2 ∈ 𝑆)
9028, 82, 89pm2.61ne 3025 . . . . . 6 ((𝑗 ∈ ℙ ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚𝑆) → 𝑗𝑆)
9124mul4sq 16988 . . . . . . 7 ((𝑚𝑆𝑖𝑆) → (𝑚 · 𝑖) ∈ 𝑆)
9291a1i 11 . . . . . 6 ((𝑚 ∈ (ℤ‘2) ∧ 𝑖 ∈ (ℤ‘2)) → ((𝑚𝑆𝑖𝑆) → (𝑚 · 𝑖) ∈ 𝑆))
932, 3, 4, 5, 6, 27, 90, 92prmind2 16719 . . . . 5 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘𝑆)
94 id 22 . . . . . 6 (𝑘 = 0 → 𝑘 = 0)
9594, 63eqeltrdi 2847 . . . . 5 (𝑘 = 0 → 𝑘𝑆)
9693, 95jaoi 857 . . . 4 ((𝑘 ∈ ℕ ∨ 𝑘 = 0) → 𝑘𝑆)
971, 96sylbi 217 . . 3 (𝑘 ∈ ℕ0𝑘𝑆)
9897ssriv 3999 . 2 0𝑆
99244sqlem1 16982 . 2 𝑆 ⊆ ℕ0
10098, 99eqssi 4012 1 0 = 𝑆
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 395  wo 847   = wceq 1537  wcel 2106  {cab 2712  wne 2938  wral 3059  wrex 3068  {crab 3433  cdif 3960  cun 3961  wss 3963  {csn 4631  cfv 6563  (class class class)co 7431  infcinf 9479  cc 11151  cr 11152  0cc0 11153  1c1 11154   + caddc 11156   · cmul 11158   < clt 11293  cmin 11490   / cdiv 11918  cn 12264  2c2 12319  0cn0 12524  cz 12611  cuz 12876  ...cfz 13544  cexp 14099  abscabs 15270  cprime 16705  ℤ[i]cgz 16963
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1792  ax-4 1806  ax-5 1908  ax-6 1965  ax-7 2005  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2139  ax-11 2155  ax-12 2175  ax-ext 2706  ax-rep 5285  ax-sep 5302  ax-nul 5312  ax-pow 5371  ax-pr 5438  ax-un 7754  ax-cnex 11209  ax-resscn 11210  ax-1cn 11211  ax-icn 11212  ax-addcl 11213  ax-addrcl 11214  ax-mulcl 11215  ax-mulrcl 11216  ax-mulcom 11217  ax-addass 11218  ax-mulass 11219  ax-distr 11220  ax-i2m1 11221  ax-1ne0 11222  ax-1rid 11223  ax-rnegex 11224  ax-rrecex 11225  ax-cnre 11226  ax-pre-lttri 11227  ax-pre-lttrn 11228  ax-pre-ltadd 11229  ax-pre-mulgt0 11230  ax-pre-sup 11231
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1540  df-fal 1550  df-ex 1777  df-nf 1781  df-sb 2063  df-mo 2538  df-eu 2567  df-clab 2713  df-cleq 2727  df-clel 2814  df-nfc 2890  df-ne 2939  df-nel 3045  df-ral 3060  df-rex 3069  df-rmo 3378  df-reu 3379  df-rab 3434  df-v 3480  df-sbc 3792  df-csb 3909  df-dif 3966  df-un 3968  df-in 3970  df-ss 3980  df-pss 3983  df-nul 4340  df-if 4532  df-pw 4607  df-sn 4632  df-pr 4634  df-op 4638  df-uni 4913  df-int 4952  df-iun 4998  df-br 5149  df-opab 5211  df-mpt 5232  df-tr 5266  df-id 5583  df-eprel 5589  df-po 5597  df-so 5598  df-fr 5641  df-we 5643  df-xp 5695  df-rel 5696  df-cnv 5697  df-co 5698  df-dm 5699  df-rn 5700  df-res 5701  df-ima 5702  df-pred 6323  df-ord 6389  df-on 6390  df-lim 6391  df-suc 6392  df-iota 6516  df-fun 6565  df-fn 6566  df-f 6567  df-f1 6568  df-fo 6569  df-f1o 6570  df-fv 6571  df-riota 7388  df-ov 7434  df-oprab 7435  df-mpo 7436  df-om 7888  df-1st 8013  df-2nd 8014  df-frecs 8305  df-wrecs 8336  df-recs 8410  df-rdg 8449  df-1o 8505  df-2o 8506  df-oadd 8509  df-er 8744  df-en 8985  df-dom 8986  df-sdom 8987  df-fin 8988  df-sup 9480  df-inf 9481  df-dju 9939  df-card 9977  df-pnf 11295  df-mnf 11296  df-xr 11297  df-ltxr 11298  df-le 11299  df-sub 11492  df-neg 11493  df-div 11919  df-nn 12265  df-2 12327  df-3 12328  df-4 12329  df-n0 12525  df-xnn0 12598  df-z 12612  df-uz 12877  df-rp 13033  df-fz 13545  df-fl 13829  df-mod 13907  df-seq 14040  df-exp 14100  df-hash 14367  df-cj 15135  df-re 15136  df-im 15137  df-sqrt 15271  df-abs 15272  df-dvds 16288  df-gcd 16529  df-prm 16706  df-gz 16964
This theorem is referenced by:  4sq  16998
  Copyright terms: Public domain W3C validator