Theorem dirith 27021

Description: Dirichlet's theorem: there are infinitely many primes in any arithmetic progression coprime to 𝑁. Theorem 9.4.1 of [Shapiro], p. 375. See https://metamath-blog.blogspot.com/2016/05/dirichlets-theorem.html for an informal exposition. This is Metamath 100 proof #48. (Contributed by Mario Carneiro, 12-May-2016.)

Assertion

Ref	Expression
dirith	⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → {𝑝 ∈ ℙ ∣ 𝑁 ∥ (𝑝 − 𝐴)} ≈ ℕ)

Distinct variable groups:   𝐴,𝑝   𝑁,𝑝

Proof of Theorem dirith

Step	Hyp	Ref	Expression
1		simp1 1136	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → 𝑁 ∈ ℕ)
2	1	nnnn0d 12528	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → 𝑁 ∈ ℕ0)
3	2	adantr 481	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → 𝑁 ∈ ℕ0)
4		eqid 2732	. . . . . . 7 ⊢ (ℤ/nℤ‘𝑁) = (ℤ/nℤ‘𝑁)
5		eqid 2732	. . . . . . 7 ⊢ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
6		eqid 2732	. . . . . . 7 ⊢ (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
7	4, 5, 6	znzrhfo 21094	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 → (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)):ℤ–onto→(Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
8		fofn 6804	. . . . . 6 ⊢ ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)):ℤ–onto→(Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) → (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) Fn ℤ)
9	3, 7, 8	3syl 18	. . . . 5 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) Fn ℤ)
10		prmz 16608	. . . . . 6 ⊢ (𝑝 ∈ ℙ → 𝑝 ∈ ℤ)
11	10	adantl 482	. . . . 5 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → 𝑝 ∈ ℤ)
12		fniniseg 7058	. . . . . 6 ⊢ ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) Fn ℤ → (𝑝 ∈ (◡(ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) “ {((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)}) ↔ (𝑝 ∈ ℤ ∧ ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝑝) = ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴))))
13	12	baibd 540	. . . . 5 ⊢ (((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) Fn ℤ ∧ 𝑝 ∈ ℤ) → (𝑝 ∈ (◡(ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) “ {((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)}) ↔ ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝑝) = ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)))
14	9, 11, 13	syl2anc 584	. . . 4 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (𝑝 ∈ (◡(ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) “ {((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)}) ↔ ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝑝) = ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)))
15		simp2 1137	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → 𝐴 ∈ ℤ)
16	15	adantr 481	. . . . 5 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → 𝐴 ∈ ℤ)
17	4, 6	zndvds 21096	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ0 ∧ 𝑝 ∈ ℤ ∧ 𝐴 ∈ ℤ) → (((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝑝) = ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴) ↔ 𝑁 ∥ (𝑝 − 𝐴)))
18	3, 11, 16, 17	syl3anc 1371	. . . 4 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝑝) = ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴) ↔ 𝑁 ∥ (𝑝 − 𝐴)))
19	14, 18	bitrd 278	. . 3 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (𝑝 ∈ (◡(ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) “ {((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)}) ↔ 𝑁 ∥ (𝑝 − 𝐴)))
20	19	rabbi2dva 4216	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (ℙ ∩ (◡(ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) “ {((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)})) = {𝑝 ∈ ℙ ∣ 𝑁 ∥ (𝑝 − 𝐴)})
21		eqid 2732	. . 3 ⊢ (Unit‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (Unit‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
22		simp3 1138	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (𝐴 gcd 𝑁) = 1)
23	4, 21, 6	znunit 21110	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ0 ∧ 𝐴 ∈ ℤ) → (((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴) ∈ (Unit‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ↔ (𝐴 gcd 𝑁) = 1))
24	2, 15, 23	syl2anc 584	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴) ∈ (Unit‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ↔ (𝐴 gcd 𝑁) = 1))
25	22, 24	mpbird 256	. . 3 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴) ∈ (Unit‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
26		eqid 2732	. . 3 ⊢ (◡(ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) “ {((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)}) = (◡(ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) “ {((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)})
27	4, 6, 1, 21, 25, 26	dirith2 27020	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (ℙ ∩ (◡(ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) “ {((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)})) ≈ ℕ)
28	20, 27	eqbrtrrd 5171	1 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → {𝑝 ∈ ℙ ∣ 𝑁 ∥ (𝑝 − 𝐴)} ≈ ℕ)

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 205   ∧ wa 396   ∧ w3a 1087   = wceq 1541   ∈ wcel 2106  {crab 3432   ∩ cin 3946  {csn 4627   class class class wbr 5147  ^◡ccnv 5674   “ cima 5678   Fn wfn 6535  –onto→wfo 6538  ‘cfv 6540  (class class class)co 7405   ≈ cen 8932  1c1 11107   − cmin 11440  ℕcn 12208  ℕ₀cn0 12468  ℤcz 12554   ∥ cdvds 16193   gcd cgcd 16431  ℙcprime 16604  Basecbs 17140  Unitcui 20161  ℤRHomczrh 21040  ℤ/nℤczn 21043

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2703  ax-rep 5284  ax-sep 5298  ax-nul 5305  ax-pow 5362  ax-pr 5426  ax-un 7721  ax-inf2 9632  ax-cnex 11162  ax-resscn 11163  ax-1cn 11164  ax-icn 11165  ax-addcl 11166  ax-addrcl 11167  ax-mulcl 11168  ax-mulrcl 11169  ax-mulcom 11170  ax-addass 11171  ax-mulass 11172  ax-distr 11173  ax-i2m1 11174  ax-1ne0 11175  ax-1rid 11176  ax-rnegex 11177  ax-rrecex 11178  ax-cnre 11179  ax-pre-lttri 11180  ax-pre-lttrn 11181  ax-pre-ltadd 11182  ax-pre-mulgt0 11183  ax-pre-sup 11184  ax-addf 11185  ax-mulf 11186

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2068  df-mo 2534  df-eu 2563  df-clab 2710  df-cleq 2724  df-clel 2810  df-nfc 2885  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3062  df-rex 3071  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3433  df-v 3476  df-sbc 3777  df-csb 3893  df-dif 3950  df-un 3952  df-in 3954  df-ss 3964  df-pss 3966  df-nul 4322  df-if 4528  df-pw 4603  df-sn 4628  df-pr 4630  df-tp 4632  df-op 4634  df-uni 4908  df-int 4950  df-iun 4998  df-iin 4999  df-disj 5113  df-br 5148  df-opab 5210  df-mpt 5231  df-tr 5265  df-id 5573  df-eprel 5579  df-po 5587  df-so 5588  df-fr 5630  df-se 5631  df-we 5632  df-xp 5681  df-rel 5682  df-cnv 5683  df-co 5684  df-dm 5685  df-rn 5686  df-res 5687  df-ima 5688  df-pred 6297  df-ord 6364  df-on 6365  df-lim 6366  df-suc 6367  df-iota 6492  df-fun 6542  df-fn 6543  df-f 6544  df-f1 6545  df-fo 6546  df-f1o 6547  df-fv 6548  df-isom 6549  df-riota 7361  df-ov 7408  df-oprab 7409  df-mpo 7410  df-of 7666  df-rpss 7709  df-om 7852  df-1st 7971  df-2nd 7972  df-supp 8143  df-tpos 8207  df-frecs 8262  df-wrecs 8293  df-recs 8367  df-rdg 8406  df-1o 8462  df-2o 8463  df-oadd 8466  df-omul 8467  df-er 8699  df-ec 8701  df-qs 8705  df-map 8818  df-pm 8819  df-ixp 8888  df-en 8936  df-dom 8937  df-sdom 8938  df-fin 8939  df-fsupp 9358  df-fi 9402  df-sup 9433  df-inf 9434  df-oi 9501  df-dju 9892  df-card 9930  df-acn 9933  df-pnf 11246  df-mnf 11247  df-xr 11248  df-ltxr 11249  df-le 11250  df-sub 11442  df-neg 11443  df-div 11868  df-nn 12209  df-2 12271  df-3 12272  df-4 12273  df-5 12274  df-6 12275  df-7 12276  df-8 12277  df-9 12278  df-n0 12469  df-xnn0 12541  df-z 12555  df-dec 12674  df-uz 12819  df-q 12929  df-rp 12971  df-xneg 13088  df-xadd 13089  df-xmul 13090  df-ioo 13324  df-ioc 13325  df-ico 13326  df-icc 13327  df-fz 13481  df-fzo 13624  df-fl 13753  df-mod 13831  df-seq 13963  df-exp 14024  df-fac 14230  df-bc 14259  df-hash 14287  df-word 14461  df-concat 14517  df-s1 14542  df-shft 15010  df-cj 15042  df-re 15043  df-im 15044  df-sqrt 15178  df-abs 15179  df-limsup 15411  df-clim 15428  df-rlim 15429  df-o1 15430  df-lo1 15431  df-sum 15629  df-ef 16007  df-e 16008  df-sin 16009  df-cos 16010  df-tan 16011  df-pi 16012  df-dvds 16194  df-gcd 16432  df-prm 16605  df-numer 16667  df-denom 16668  df-phi 16695  df-pc 16766  df-struct 17076  df-sets 17093  df-slot 17111  df-ndx 17123  df-base 17141  df-ress 17170  df-plusg 17206  df-mulr 17207  df-starv 17208  df-sca 17209  df-vsca 17210  df-ip 17211  df-tset 17212  df-ple 17213  df-ds 17215  df-unif 17216  df-hom 17217  df-cco 17218  df-rest 17364  df-topn 17365  df-0g 17383  df-gsum 17384  df-topgen 17385  df-pt 17386  df-prds 17389  df-xrs 17444  df-qtop 17449  df-imas 17450  df-qus 17451  df-xps 17452  df-mre 17526  df-mrc 17527  df-acs 17529  df-mgm 18557  df-sgrp 18606  df-mnd 18622  df-mhm 18667  df-submnd 18668  df-grp 18818  df-minusg 18819  df-sbg 18820  df-mulg 18945  df-subg 18997  df-nsg 18998  df-eqg 18999  df-ghm 19084  df-gim 19127  df-ga 19148  df-cntz 19175  df-oppg 19204  df-od 19390  df-gex 19391  df-pgp 19392  df-lsm 19498  df-pj1 19499  df-cmn 19644  df-abl 19645  df-cyg 19740  df-dprd 19859  df-dpj 19860  df-mgp 19982  df-ur 19999  df-ring 20051  df-cring 20052  df-oppr 20142  df-dvdsr 20163  df-unit 20164  df-invr 20194  df-dvr 20207  df-rnghom 20243  df-drng 20309  df-subrg 20353  df-lmod 20465  df-lss 20535  df-lsp 20575  df-sra 20777  df-rgmod 20778  df-lidl 20779  df-rsp 20780  df-2idl 20849  df-psmet 20928  df-xmet 20929  df-met 20930  df-bl 20931  df-mopn 20932  df-fbas 20933  df-fg 20934  df-cnfld 20937  df-zring 21010  df-zrh 21044  df-zn 21047  df-top 22387  df-topon 22404  df-topsp 22426  df-bases 22440  df-cld 22514  df-ntr 22515  df-cls 22516  df-nei 22593  df-lp 22631  df-perf 22632  df-cn 22722  df-cnp 22723  df-haus 22810  df-cmp 22882  df-tx 23057  df-hmeo 23250  df-fil 23341  df-fm 23433  df-flim 23434  df-flf 23435  df-xms 23817  df-ms 23818  df-tms 23819  df-cncf 24385  df-0p 25178  df-limc 25374  df-dv 25375  df-ply 25693  df-idp 25694  df-coe 25695  df-dgr 25696  df-quot 25795  df-ulm 25880  df-log 26056  df-cxp 26057  df-atan 26361  df-em 26486  df-cht 26590  df-vma 26591  df-chp 26592  df-ppi 26593  df-mu 26594  df-dchr 26725

This theorem is referenced by: (None)