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

Theorem aaliou 24534
 Description: Liouville's theorem on diophantine approximation: Any algebraic number, being a root of a polynomial 𝐹 in integer coefficients, is not approximable beyond order 𝑁 = deg(𝐹) by rational numbers. In this form, it also applies to rational numbers themselves, which are not well approximable by other rational numbers. This is Metamath 100 proof #18. (Contributed by Stefan O'Rear, 16-Nov-2014.)
Hypotheses
Ref Expression
aalioulem2.a 𝑁 = (deg‘𝐹)
aalioulem2.b (𝜑𝐹 ∈ (Poly‘ℤ))
aalioulem2.c (𝜑𝑁 ∈ ℕ)
aalioulem2.d (𝜑𝐴 ∈ ℝ)
aalioulem3.e (𝜑 → (𝐹𝐴) = 0)
Assertion
Ref Expression
aaliou (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℝ+𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑥 / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))))
Distinct variable groups:   𝜑,𝑥,𝑝,𝑞   𝑥,𝐴,𝑝,𝑞   𝑥,𝐹,𝑝,𝑞   𝑥,𝑁
Allowed substitution hints:   𝑁(𝑞,𝑝)

Proof of Theorem aaliou
Dummy variable 𝑎 is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 aalioulem2.a . . 3 𝑁 = (deg‘𝐹)
2 aalioulem2.b . . 3 (𝜑𝐹 ∈ (Poly‘ℤ))
3 aalioulem2.c . . 3 (𝜑𝑁 ∈ ℕ)
4 aalioulem2.d . . 3 (𝜑𝐴 ∈ ℝ)
5 aalioulem3.e . . 3 (𝜑 → (𝐹𝐴) = 0)
61, 2, 3, 4, 5aalioulem6 24533 . 2 (𝜑 → ∃𝑎 ∈ ℝ+𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))))
7 rphalfcl 12170 . . . . 5 (𝑎 ∈ ℝ+ → (𝑎 / 2) ∈ ℝ+)
87adantl 475 . . . 4 ((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) → (𝑎 / 2) ∈ ℝ+)
97ad2antlr 717 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (𝑎 / 2) ∈ ℝ+)
10 nnrp 12154 . . . . . . . . . . . 12 (𝑞 ∈ ℕ → 𝑞 ∈ ℝ+)
1110ad2antll 719 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → 𝑞 ∈ ℝ+)
123nnzd 11837 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑𝑁 ∈ ℤ)
1312ad2antrr 716 . . . . . . . . . . 11 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → 𝑁 ∈ ℤ)
1411, 13rpexpcld 13357 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (𝑞𝑁) ∈ ℝ+)
159, 14rpdivcld 12202 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) ∈ ℝ+)
1615rpred 12185 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) ∈ ℝ)
17 simplr 759 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → 𝑎 ∈ ℝ+)
1817, 14rpdivcld 12202 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (𝑎 / (𝑞𝑁)) ∈ ℝ+)
1918rpred 12185 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (𝑎 / (𝑞𝑁)) ∈ ℝ)
204adantr 474 . . . . . . . . . . 11 ((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) → 𝐴 ∈ ℝ)
21 znq 12103 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ) → (𝑝 / 𝑞) ∈ ℚ)
22 qre 12104 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑝 / 𝑞) ∈ ℚ → (𝑝 / 𝑞) ∈ ℝ)
2321, 22syl 17 . . . . . . . . . . 11 ((𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ) → (𝑝 / 𝑞) ∈ ℝ)
24 resubcl 10689 . . . . . . . . . . 11 ((𝐴 ∈ ℝ ∧ (𝑝 / 𝑞) ∈ ℝ) → (𝐴 − (𝑝 / 𝑞)) ∈ ℝ)
2520, 23, 24syl2an 589 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (𝐴 − (𝑝 / 𝑞)) ∈ ℝ)
2625recnd 10407 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (𝐴 − (𝑝 / 𝑞)) ∈ ℂ)
2726abscld 14587 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))) ∈ ℝ)
2816, 19, 273jca 1119 . . . . . . 7 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) ∈ ℝ ∧ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ∈ ℝ ∧ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))) ∈ ℝ))
299rpred 12185 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (𝑎 / 2) ∈ ℝ)
30 rpre 12149 . . . . . . . . . . 11 (𝑎 ∈ ℝ+𝑎 ∈ ℝ)
3130ad2antlr 717 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → 𝑎 ∈ ℝ)
32 rphalflt 12172 . . . . . . . . . . 11 (𝑎 ∈ ℝ+ → (𝑎 / 2) < 𝑎)
3332ad2antlr 717 . . . . . . . . . 10 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → (𝑎 / 2) < 𝑎)
3429, 31, 14, 33ltdiv1dd 12242 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (𝑎 / (𝑞𝑁)))
3534anim1i 608 . . . . . . . 8 ((((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) ∧ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))) → (((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (𝑎 / (𝑞𝑁)) ∧ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))))
3635ex 403 . . . . . . 7 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → ((𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))) → (((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (𝑎 / (𝑞𝑁)) ∧ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))))))
37 ltletr 10470 . . . . . . 7 ((((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) ∈ ℝ ∧ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ∈ ℝ ∧ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))) ∈ ℝ) → ((((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (𝑎 / (𝑞𝑁)) ∧ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))) → ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))))
3828, 36, 37sylsyld 61 . . . . . 6 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → ((𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))) → ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))))
3938orim2d 952 . . . . 5 (((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) ∧ (𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝑞 ∈ ℕ)) → ((𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))) → (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))))))
4039ralimdvva 3146 . . . 4 ((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) → (∀𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))) → ∀𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))))))
41 oveq1 6931 . . . . . . . 8 (𝑥 = (𝑎 / 2) → (𝑥 / (𝑞𝑁)) = ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)))
4241breq1d 4898 . . . . . . 7 (𝑥 = (𝑎 / 2) → ((𝑥 / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))) ↔ ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))))
4342orbi2d 902 . . . . . 6 (𝑥 = (𝑎 / 2) → ((𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑥 / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))) ↔ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))))))
44432ralbidv 3171 . . . . 5 (𝑥 = (𝑎 / 2) → (∀𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑥 / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))) ↔ ∀𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))))))
4544rspcev 3511 . . . 4 (((𝑎 / 2) ∈ ℝ+ ∧ ∀𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ ((𝑎 / 2) / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))))) → ∃𝑥 ∈ ℝ+𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑥 / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))))
468, 40, 45syl6an 674 . . 3 ((𝜑𝑎 ∈ ℝ+) → (∀𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))) → ∃𝑥 ∈ ℝ+𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑥 / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))))))
4746rexlimdva 3213 . 2 (𝜑 → (∃𝑎 ∈ ℝ+𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑎 / (𝑞𝑁)) ≤ (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))) → ∃𝑥 ∈ ℝ+𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑥 / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞))))))
486, 47mpd 15 1 (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℝ+𝑝 ∈ ℤ ∀𝑞 ∈ ℕ (𝐴 = (𝑝 / 𝑞) ∨ (𝑥 / (𝑞𝑁)) < (abs‘(𝐴 − (𝑝 / 𝑞)))))
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 386   ∨ wo 836   ∧ w3a 1071   = wceq 1601   ∈ wcel 2107  ∀wral 3090  ∃wrex 3091   class class class wbr 4888  ‘cfv 6137  (class class class)co 6924  ℝcr 10273  0cc0 10274   < clt 10413   ≤ cle 10414   − cmin 10608   / cdiv 11034  ℕcn 11378  2c2 11434  ℤcz 11732  ℚcq 12099  ℝ+crp 12141  ↑cexp 13182  abscabs 14385  Polycply 24381  degcdgr 24384 This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1839  ax-4 1853  ax-5 1953  ax-6 2021  ax-7 2055  ax-8 2109  ax-9 2116  ax-10 2135  ax-11 2150  ax-12 2163  ax-13 2334  ax-ext 2754  ax-rep 5008  ax-sep 5019  ax-nul 5027  ax-pow 5079  ax-pr 5140  ax-un 7228  ax-inf2 8837  ax-cnex 10330  ax-resscn 10331  ax-1cn 10332  ax-icn 10333  ax-addcl 10334  ax-addrcl 10335  ax-mulcl 10336  ax-mulrcl 10337  ax-mulcom 10338  ax-addass 10339  ax-mulass 10340  ax-distr 10341  ax-i2m1 10342  ax-1ne0 10343  ax-1rid 10344  ax-rnegex 10345  ax-rrecex 10346  ax-cnre 10347  ax-pre-lttri 10348  ax-pre-lttrn 10349  ax-pre-ltadd 10350  ax-pre-mulgt0 10351  ax-pre-sup 10352  ax-addf 10353  ax-mulf 10354 This theorem depends on definitions:  df-bi 199  df-an 387  df-or 837  df-3or 1072  df-3an 1073  df-tru 1605  df-fal 1615  df-ex 1824  df-nf 1828  df-sb 2012  df-mo 2551  df-eu 2587  df-clab 2764  df-cleq 2770  df-clel 2774  df-nfc 2921  df-ne 2970  df-nel 3076  df-ral 3095  df-rex 3096  df-reu 3097  df-rmo 3098  df-rab 3099  df-v 3400  df-sbc 3653  df-csb 3752  df-dif 3795  df-un 3797  df-in 3799  df-ss 3806  df-pss 3808  df-nul 4142  df-if 4308  df-pw 4381  df-sn 4399  df-pr 4401  df-tp 4403  df-op 4405  df-uni 4674  df-int 4713  df-iun 4757  df-iin 4758  df-br 4889  df-opab 4951  df-mpt 4968  df-tr 4990  df-id 5263  df-eprel 5268  df-po 5276  df-so 5277  df-fr 5316  df-se 5317  df-we 5318  df-xp 5363  df-rel 5364  df-cnv 5365  df-co 5366  df-dm 5367  df-rn 5368  df-res 5369  df-ima 5370  df-pred 5935  df-ord 5981  df-on 5982  df-lim 5983  df-suc 5984  df-iota 6101  df-fun 6139  df-fn 6140  df-f 6141  df-f1 6142  df-fo 6143  df-f1o 6144  df-fv 6145  df-isom 6146  df-riota 6885  df-ov 6927  df-oprab 6928  df-mpt2 6929  df-of 7176  df-om 7346  df-1st 7447  df-2nd 7448  df-supp 7579  df-wrecs 7691  df-recs 7753  df-rdg 7791  df-1o 7845  df-2o 7846  df-oadd 7849  df-er 8028  df-map 8144  df-pm 8145  df-ixp 8197  df-en 8244  df-dom 8245  df-sdom 8246  df-fin 8247  df-fsupp 8566  df-fi 8607  df-sup 8638  df-inf 8639  df-oi 8706  df-card 9100  df-cda 9327  df-pnf 10415  df-mnf 10416  df-xr 10417  df-ltxr 10418  df-le 10419  df-sub 10610  df-neg 10611  df-div 11035  df-nn 11379  df-2 11442  df-3 11443  df-4 11444  df-5 11445  df-6 11446  df-7 11447  df-8 11448  df-9 11449  df-n0 11647  df-xnn0 11719  df-z 11733  df-dec 11850  df-uz 11997  df-q 12100  df-rp 12142  df-xneg 12261  df-xadd 12262  df-xmul 12263  df-ioo 12495  df-ico 12497  df-icc 12498  df-fz 12648  df-fzo 12789  df-fl 12916  df-seq 13124  df-exp 13183  df-hash 13440  df-cj 14250  df-re 14251  df-im 14252  df-sqrt 14386  df-abs 14387  df-clim 14631  df-rlim 14632  df-sum 14829  df-struct 16261  df-ndx 16262  df-slot 16263  df-base 16265  df-sets 16266  df-ress 16267  df-plusg 16355  df-mulr 16356  df-starv 16357  df-sca 16358  df-vsca 16359  df-ip 16360  df-tset 16361  df-ple 16362  df-ds 16364  df-unif 16365  df-hom 16366  df-cco 16367  df-rest 16473  df-topn 16474  df-0g 16492  df-gsum 16493  df-topgen 16494  df-pt 16495  df-prds 16498  df-xrs 16552  df-qtop 16557  df-imas 16558  df-xps 16560  df-mre 16636  df-mrc 16637  df-acs 16639  df-mgm 17632  df-sgrp 17674  df-mnd 17685  df-submnd 17726  df-grp 17816  df-minusg 17817  df-mulg 17932  df-subg 17979  df-cntz 18137  df-cmn 18585  df-mgp 18881  df-ur 18893  df-ring 18940  df-cring 18941  df-subrg 19174  df-psmet 20138  df-xmet 20139  df-met 20140  df-bl 20141  df-mopn 20142  df-fbas 20143  df-fg 20144  df-cnfld 20147  df-top 21110  df-topon 21127  df-topsp 21149  df-bases 21162  df-cld 21235  df-ntr 21236  df-cls 21237  df-nei 21314  df-lp 21352  df-perf 21353  df-cn 21443  df-cnp 21444  df-haus 21531  df-cmp 21603  df-tx 21778  df-hmeo 21971  df-fil 22062  df-fm 22154  df-flim 22155  df-flf 22156  df-xms 22537  df-ms 22538  df-tms 22539  df-cncf 23093  df-0p 23878  df-limc 24071  df-dv 24072  df-dvn 24073  df-cpn 24074  df-ply 24385  df-idp 24386  df-coe 24387  df-dgr 24388  df-quot 24487 This theorem is referenced by:  aaliou2  24536
 Copyright terms: Public domain W3C validator