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

Theorem 4sqlem19 17141
Description: Lemma for 4sq 17142. 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 17140. If 𝑘 is 0, 1, 2, we show 𝑘 ∈ 𝑆 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 17132 𝑘 ∈ 𝑆. (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 ℕ0 = 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 12608 . . . 4 (𝑘 ∈ ℕ0 ↔ (𝑘 ∈ ℕ ∨ 𝑘 = 0))
2 eleq1 2848 . . . . . 6 (𝑗 = 1 → (𝑗 ∈ 𝑆 ↔ 1 ∈ 𝑆))
3 eleq1 2848 . . . . . 6 (𝑗 = 𝑚 → (𝑗 ∈ 𝑆 ↔ 𝑚 ∈ 𝑆))
4 eleq1 2848 . . . . . 6 (𝑗 = 𝑖 → (𝑗 ∈ 𝑆 ↔ 𝑖 ∈ 𝑆))
5 eleq1 2848 . . . . . 6 (𝑗 = (𝑚 · 𝑖) → (𝑗 ∈ 𝑆 ↔ (𝑚 · 𝑖) ∈ 𝑆))
6 eleq1 2848 . . . . . 6 (𝑗 = 𝑘 → (𝑗 ∈ 𝑆 ↔ 𝑘 ∈ 𝑆))
7 abs1 15464 . . . . . . . . . . 11 (abs‘1) = 1
87oveq1i 7430 . . . . . . . . . 10 ((abs‘1)↑2) = (1↑2)
9 sq1 14338 . . . . . . . . . 10 (1↑2) = 1
108, 9eqtri 2783 . . . . . . . . 9 ((abs‘1)↑2) = 1
11 abs0 15452 . . . . . . . . . . 11 (abs‘0) = 0
1211oveq1i 7430 . . . . . . . . . 10 ((abs‘0)↑2) = (0↑2)
13 sq0 14335 . . . . . . . . . 10 (0↑2) = 0
1412, 13eqtri 2783 . . . . . . . . 9 ((abs‘0)↑2) = 0
1510, 14oveq12i 7432 . . . . . . . 8 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = (1 + 0)
16 1p0e1 12465 . . . . . . . 8 (1 + 0) = 1
1715, 16eqtri 2783 . . . . . . 7 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = 1
18 1z 12726 . . . . . . . . 9 1 ∈ ℤ
19 zgz 17111 . . . . . . . . 9 (1 ∈ ℤ → 1 ∈ ℤ[i])
2018, 19ax-mp 5 . . . . . . . 8 1 ∈ ℤ[i]
21 0z 12704 . . . . . . . . 9 0 ∈ ℤ
22 zgz 17111 . . . . . . . . 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 17129 . . . . . . . 8 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 0 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆)
2620, 23, 25mp2an 705 . . . . . . 7 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆
2717, 26eqeltrri 2857 . . . . . 6 1 ∈ 𝑆
28 eleq1 2848 . . . . . . 7 (𝑗 = 2 → (𝑗 ∈ 𝑆 ↔ 2 ∈ 𝑆))
29 eldifsn 4747 . . . . . . . . 9 (𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ↔ (𝑗 ∈ ℙ ∧ 𝑗 ≠ 2))
30 oddprm 16988 . . . . . . . . . . 11 (𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) → ((𝑗 − 1) / 2) ∈ ℕ)
3130adantr 486 . . . . . . . . . 10 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → ((𝑗 − 1) / 2) ∈ ℕ)
32 eldifi 4067 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑗 ∈ ℙ)
3332adantr 486 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → 𝑗 ∈ ℙ)
34 prmnn 16849 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 ∈ ℙ → 𝑗 ∈ ℕ)
35 nncn 12343 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 ∈ ℕ → 𝑗 ∈ ℂ)
3633, 34, 353syl 19 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → 𝑗 ∈ ℂ)
37 ax-1cn 11258 . . . . . . . . . . . . . 14 1 ∈ ℂ
38 subcl 11556 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → (𝑗 − 1) ∈ ℂ)
3936, 37, 38sylancl 598 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (𝑗 − 1) ∈ ℂ)
40 2cnd 12421 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → 2 ∈ ℂ)
41 2ne0 12449 . . . . . . . . . . . . . 14 2 ≠ 0
4241a1i 11 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → 2 ≠ 0)
4339, 40, 42divcan2d 12095 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (2 · ((𝑗 − 1) / 2)) = (𝑗 − 1))
4443oveq1d 7435 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → ((2 · ((𝑗 − 1) / 2)) + 1) = ((𝑗 − 1) + 1))
45 npcan 11566 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → ((𝑗 − 1) + 1) = 𝑗)
4636, 37, 45sylancl 598 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → ((𝑗 − 1) + 1) = 𝑗)
4744, 46eqtr2d 2796 . . . . . . . . . 10 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → 𝑗 = ((2 · ((𝑗 − 1) / 2)) + 1))
4843oveq2d 7436 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (0...(2 · ((𝑗 − 1) / 2))) = (0...(𝑗 − 1)))
49 nnm1nn0 12647 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝑗 ∈ ℕ → (𝑗 − 1) ∈ ℕ0)
5033, 34, 493syl 19 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (𝑗 − 1) ∈ ℕ0)
51 elnn0uz 13006 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑗 − 1) ∈ ℕ0 ↔ (𝑗 − 1) ∈ (ℤ≥‘0))
5250, 51sylib 221 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (𝑗 − 1) ∈ (ℤ≥‘0))
53 eluzfz1 13664 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 − 1) ∈ (ℤ≥‘0) → 0 ∈ (0...(𝑗 − 1)))
54 fzsplit 13684 . . . . . . . . . . . . 13 (0 ∈ (0...(𝑗 − 1)) → (0...(𝑗 − 1)) = ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))))
5552, 53, 543syl 19 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (0...(𝑗 − 1)) = ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))))
5648, 55eqtrd 2795 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (0...(2 · ((𝑗 − 1) / 2))) = ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))))
57 fz0sn 13761 . . . . . . . . . . . . . 14 (0...0) = {0}
5814, 14oveq12i 7432 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = (0 + 0)
59 00id 11485 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 (0 + 0) = 0
6058, 59eqtri 2783 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) = 0
61244sqlem4a 17129 . . . . . . . . . . . . . . . . 17 ((0 ∈ ℤ[i] ∧ 0 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆)
6223, 23, 61mp2an 705 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (((abs‘0)↑2) + ((abs‘0)↑2)) ∈ 𝑆
6360, 62eqeltrri 2857 . . . . . . . . . . . . . . 15 0 ∈ 𝑆
64 snssi 4745 . . . . . . . . . . . . . . 15 (0 ∈ 𝑆 → {0} ⊆ 𝑆)
6563, 64ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . 14 {0} ⊆ 𝑆
6657, 65eqsstri 3954 . . . . . . . . . . . . 13 (0...0) ⊆ 𝑆
6766a1i 11 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (0...0) ⊆ 𝑆)
68 0p1e1 12463 . . . . . . . . . . . . . 14 (0 + 1) = 1
6968oveq1i 7430 . . . . . . . . . . . . 13 ((0 + 1)...(𝑗 − 1)) = (1...(𝑗 − 1))
70 dfss3 3897 . . . . . . . . . . . . . 14 ((1...(𝑗 − 1)) ⊆ 𝑆 ↔ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆)
7170bilanri 512 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (1...(𝑗 − 1)) ⊆ 𝑆)
7269, 71eqsstrid 3946 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → ((0 + 1)...(𝑗 − 1)) ⊆ 𝑆)
7367, 72unssd 4190 . . . . . . . . . . 11 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → ((0...0) ∪ ((0 + 1)...(𝑗 − 1))) ⊆ 𝑆)
7456, 73eqsstrd 3942 . . . . . . . . . 10 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → (0...(2 · ((𝑗 − 1) / 2))) ⊆ 𝑆)
75 oveq1 7427 . . . . . . . . . . . 12 (𝑘 = 𝑖 → (𝑘 · 𝑗) = (𝑖 · 𝑗))
7675eleq1d 2845 . . . . . . . . . . 11 (𝑘 = 𝑖 → ((𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆 ↔ (𝑖 · 𝑗) ∈ 𝑆))
7776cbvrabv 3422 . . . . . . . . . 10 {𝑘 ∈ ℕ ∣ (𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆} = {𝑖 ∈ ℕ ∣ (𝑖 · 𝑗) ∈ 𝑆}
78 eqid 2760 . . . . . . . . . 10 inf({𝑘 ∈ ℕ ∣ (𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆}, ℝ, < ) = inf({𝑘 ∈ ℕ ∣ (𝑘 · 𝑗) ∈ 𝑆}, ℝ, < )
7924, 31, 47, 33, 74, 77, 784sqlem18 17140 . . . . . . . . 9 ((𝑗 ∈ (ℙ ∖ {2}) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → 𝑗 ∈ 𝑆)
8029, 79sylanbr 594 . . . . . . . 8 (((𝑗 ∈ ℙ ∧ 𝑗 ≠ 2) ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → 𝑗 ∈ 𝑆)
8180an32s 665 . . . . . . 7 (((𝑗 ∈ ℙ ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) ∧ 𝑗 ≠ 2) → 𝑗 ∈ 𝑆)
8210, 10oveq12i 7432 . . . . . . . . . 10 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) = (1 + 1)
83 df-2 12405 . . . . . . . . . 10 2 = (1 + 1)
8482, 83eqtr4i 2786 . . . . . . . . 9 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) = 2
85244sqlem4a 17129 . . . . . . . . . 10 ((1 ∈ ℤ[i] ∧ 1 ∈ ℤ[i]) → (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) ∈ 𝑆)
8620, 20, 85mp2an 705 . . . . . . . . 9 (((abs‘1)↑2) + ((abs‘1)↑2)) ∈ 𝑆
8784, 86eqeltrri 2857 . . . . . . . 8 2 ∈ 𝑆
8887a1i 11 . . . . . . 7 ((𝑗 ∈ ℙ ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → 2 ∈ 𝑆)
8928, 81, 88pm2.61ne 3040 . . . . . 6 ((𝑗 ∈ ℙ ∧ ∀𝑚 ∈ (1...(𝑗 − 1))𝑚 ∈ 𝑆) → 𝑗 ∈ 𝑆)
9024mul4sq 17132 . . . . . . 7 ((𝑚 ∈ 𝑆 ∧ 𝑖 ∈ 𝑆) → (𝑚 · 𝑖) ∈ 𝑆)
9190a1i 11 . . . . . 6 ((𝑚 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑖 ∈ (ℤ≥‘2)) → ((𝑚 ∈ 𝑆 ∧ 𝑖 ∈ 𝑆) → (𝑚 · 𝑖) ∈ 𝑆))
922, 3, 4, 5, 6, 27, 89, 91prmind2 16860 . . . . 5 (𝑘 ∈ ℕ → 𝑘 ∈ 𝑆)
93 id 23 . . . . . 6 (𝑘 = 0 → 𝑘 = 0)
9493, 63eqeltrdi 2868 . . . . 5 (𝑘 = 0 → 𝑘 ∈ 𝑆)
9592, 94jaoi 871 . . . 4 ((𝑘 ∈ ℕ ∨ 𝑘 = 0) → 𝑘 ∈ 𝑆)
961, 95sylbi 220 . . 3 (𝑘 ∈ ℕ0 → 𝑘 ∈ 𝑆)
9796ssriv 3912 . 2 ℕ0 ⊆ 𝑆
98244sqlem1 17126 . 2 𝑆 ⊆ ℕ0
9997, 98eqssi 3924 1 ℕ0 = 𝑆
Colors of variables:    wff setvar class
This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   ∨ wo 861   = wceq 1569   ∈ wcel 2144  {cab 2738   ≠ wne 2955  ∀wral 3076  ∃wrex 3086  {crab 3412   ⊆ wss 3895   ∖ cdif 4045   ∪ cun 4149  {csn 4583  ‘cfv 6538  (class class class)co 7420  infcinf 9433  ℂcc 11198  ℝcr 11199  0cc0 11200  1c1 11201   + caddc 11203   · cmul 11205   < clt 11343   − cmin 11541   / cdiv 11973  ℕcn 12335  2c2 12397  ℕ0cn0 12606  ℤcz 12693  ℤ≥cuz 12965  ...cfz 13639  ↑cexp 14204  abscabs 15401  ℙcprime 16846  ℤ[i]cgz 17107
This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-rep 5231  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5326  ax-pr 5390  ax-un 7751  ax-cnex 11256  ax-resscn 11257  ax-1cn 11258  ax-icn 11259  ax-addcl 11260  ax-addrcl 11261  ax-mulcl 11262  ax-mulrcl 11263  ax-mulcom 11264  ax-addass 11265  ax-mulass 11266  ax-distr 11267  ax-i2m1 11268  ax-1ne0 11269  ax-1rid 11270  ax-rnegex 11271  ax-rrecex 11272  ax-cnre 11273  ax-pre-lttri 11274  ax-pre-lttrn 11275  ax-pre-ltadd 11276  ax-pre-mulgt0 11277  ax-pre-sup 11278
This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  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 3739  df-csb 3847  df-ss 3896  df-pss 4014  df-dif 4047  df-in 4091  df-un 4151  df-nul 4279  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4584  df-pr 4586  df-op 4590  df-uni 4867  df-int 4907  df-iun 4952  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-tr 5212  df-id 5545  df-eprel 5550  df-po 5558  df-so 5559  df-fr 5603  df-we 5605  df-xp 5656  df-rel 5657  df-cnv 5658  df-co 5659  df-dm 5660  df-rn 5661  df-res 5662  df-ima 5663  df-pred 6304  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6494  df-fun 6540  df-fn 6541  df-f 6542  df-f1 6543  df-fo 6544  df-f1o 6545  df-fv 6546  df-riota 7377  df-ov 7423  df-oprab 7424  df-mpo 7425  df-om 7878  df-1st 8001  df-2nd 8002  df-frecs 8299  df-wrecs 8330  df-recs 8379  df-rdg 8418  df-1o 8476  df-2o 8477  df-oadd 8480  df-er 8717  df-en 8974  df-dom 8975  df-sdom 8976  df-fin 8977  df-sup 9434  df-inf 9435  df-dju 9982  df-card 10020  df-pnf 11345  df-mnf 11346  df-xr 11347  df-ltxr 11348  df-le 11349  df-sub 11543  df-neg 11544  df-div 11974  df-nn 12336  df-2 12405  df-3 12406  df-4 12407  df-n0 12607  df-xnn0 12680  df-z 12694  df-uz 12966  df-rp 13121  df-fz 13640  df-fl 13932  df-mod 14010  df-seq 14145  df-exp 14205  df-hash 14475  df-cj 15266  df-re 15267  df-im 15268  df-sqrt 15402  df-abs 15403  df-dvds 16423  df-gcd 16665  df-prm 16847  df-gz 17108
This theorem is used by:  4sq  17142
  Copyright terms: Public domain W3C validator