Theorem dirith 27886

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 1154	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → 𝑁 ∈ ℕ)
2	1	nnnn0d 12694	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → 𝑁 ∈ ℕ0)
3	2	adantr 486	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → 𝑁 ∈ ℕ0)
4		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ (ℤ/nℤ‘𝑁) = (ℤ/nℤ‘𝑁)
5		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
6		eqid 2763	. . . . . . 7 ⊢ (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
7	4, 5, 6	znzrhfo 21883	. . . . . 6 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ0 → (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)):ℤ⟶onto(Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
8		fofn 6820	. . . . . 6 ⊢ ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)):ℤ⟶onto(Base‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) → (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) Fn ℤ)
9	3, 7, 8	3syl 19	. . . . 5 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) Fn ℤ)
10		prmz 16879	. . . . . 6 ⊢ (𝑝 ∈ ℙ → 𝑝 ∈ ℤ)
11	10	adantl 487	. . . . 5 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → 𝑝 ∈ ℤ)
12		fniniseg 7083	. . . . . 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 549	. . . . 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 596	. . . 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 1155	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → 𝐴 ∈ ℤ)
16	15	adantr 486	. . . . 5 ⊢ (((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → 𝐴 ∈ ℤ)
17	4, 6	zndvds 21885	. . . . 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 1399	. . . 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 282	. . 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 4125	. 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 2763	. . 3 ⊢ (Unit‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) = (Unit‘(ℤ/nℤ‘𝑁))
22		simp3 1156	. . . 4 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (𝐴 gcd 𝑁) = 1)
23	4, 21, 6	znunit 21899	. . . . 5 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ0 ∧ 𝐴 ∈ ℤ) → (((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴) ∈ (Unit‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) ↔ (𝐴 gcd 𝑁) = 1))
24	2, 15, 23	syl2anc 596	. . . 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 260	. . 3 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → ((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴) ∈ (Unit‘(ℤ/nℤ‘𝑁)))
26		eqid 2763	. . 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 27885	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → (ℙ ∩ (◡(ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁)) “ {((ℤRHom‘(ℤ/nℤ‘𝑁))‘𝐴)})) ≈ ℕ)
28	20, 27	eqbrtrrd 5132	1 ⊢ ((𝑁 ∈ ℕ ∧ 𝐴 ∈ ℤ ∧ (𝐴 gcd 𝑁) = 1) → {𝑝 ∈ ℙ ∣ 𝑁 ∥ (𝑝 − 𝐴)} ≈ ℕ)

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   ∧ w3a 1103   = wceq 1570   ∈ wcel 2147  {crab 3416   ∩ cin 4092  {csn 4588   class class class wbr 5106  ^◡ccnv 5654   “ cima 5658   Fn wfn 6553  ⟶ontowfo 6556  ‘cfv 6558  (class class class)co 7443   ≈ cen 8998  1c1 11228   − cmin 11568  ℕcn 12362  ℕ₀cn0 12633  ℤcz 12720   ∥ cdvds 16451   gcd cgcd 16693  ℙcprime 16875  Basecbs 17416  Unitcui 20615  ℤRHomczrh 21835  ℤ/nℤczn 21838

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-rep 5235  ax-sep 5252  ax-nul 5263  ax-pow 5331  ax-pr 5395  ax-un 7775  ax-inf2 9669  ax-cnex 11283  ax-resscn 11284  ax-1cn 11285  ax-icn 11286  ax-addcl 11287  ax-addrcl 11288  ax-mulcl 11289  ax-mulrcl 11290  ax-mulcom 11291  ax-addass 11292  ax-mulass 11293  ax-distr 11294  ax-i2m1 11295  ax-1ne0 11296  ax-1rid 11297  ax-rnegex 11298  ax-rrecex 11299  ax-cnre 11300  ax-pre-lttri 11301  ax-pre-lttrn 11302  ax-pre-ltadd 11303  ax-pre-mulgt0 11304  ax-pre-sup 11305  ax-addf 11306  ax-mulf 11307

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-tp 4593  df-op 4839  df-uni 4871  df-int 4911  df-iun 4956  df-iin 4957  df-disj 5074  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-se 5609  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 6322  df-ord 6383  df-on 6384  df-lim 6385  df-suc 6386  df-iota 6512  df-fun 6560  df-fn 6561  df-f 6562  df-f1 6563  df-fo 6564  df-f1o 6565  df-fv 6566  df-isom 6567  df-riota 7400  df-ov 7446  df-oprab 7447  df-mpo 7448  df-of 7717  df-rpss 7763  df-om 7902  df-1st 8025  df-2nd 8026  df-supp 8205  df-tpos 8271  df-frecs 8327  df-wrecs 8358  df-recs 8407  df-rdg 8446  df-1o 8504  df-2o 8505  df-oadd 8508  df-omul 8509  df-er 8745  df-ec 8747  df-qs 8751  df-map 8877  df-pm 8878  df-ixp 8954  df-en 9002  df-dom 9003  df-sdom 9004  df-fin 9005  df-fsupp 9382  df-fi 9430  df-sup 9461  df-inf 9462  df-oi 9531  df-dju 10009  df-card 10047  df-acn 10050  df-pnf 11372  df-mnf 11373  df-xr 11374  df-ltxr 11375  df-le 11376  df-sub 11570  df-neg 11571  df-div 12001  df-nn 12363  df-2 12432  df-3 12433  df-4 12434  df-5 12435  df-6 12436  df-7 12437  df-8 12438  df-9 12439  df-n0 12634  df-xnn0 12707  df-z 12721  df-dec 12842  df-uz 12993  df-q 13103  df-rp 13148  df-xneg 13268  df-xadd 13269  df-xmul 13270  df-ioo 13507  df-ioc 13508  df-ico 13509  df-icc 13510  df-fz 13667  df-fzo 13816  df-fl 13959  df-mod 14037  df-seq 14172  df-exp 14232  df-fac 14445  df-bc 14474  df-hash 14502  df-word 14686  df-concat 14743  df-s1 14770  df-shft 15249  df-cj 15295  df-re 15296  df-im 15297  df-sqrt 15431  df-abs 15432  df-limsup 15667  df-clim 15684  df-rlim 15685  df-o1 15686  df-lo1 15687  df-sum 15883  df-ef 16262  df-e 16263  df-sin 16264  df-cos 16265  df-tan 16266  df-pi 16267  df-dvds 16452  df-gcd 16694  df-prm 16876  df-numer 16940  df-denom 16941  df-phi 16972  df-pc 17044  df-struct 17354  df-sets 17371  df-slot 17389  df-ndx 17401  df-base 17417  df-ress 17438  df-plusg 17470  df-mulr 17471  df-starv 17472  df-sca 17473  df-vsca 17474  df-ip 17475  df-tset 17476  df-ple 17477  df-ds 17479  df-unif 17480  df-hom 17481  df-cco 17482  df-rest 17622  df-topn 17623  df-0g 17641  df-gsum 17642  df-topgen 17643  df-pt 17644  df-prds 17647  df-xrs 17703  df-qtop 17708  df-imas 17709  df-qus 17710  df-xps 17711  df-mre 17785  df-mrc 17786  df-acs 17788  df-mgm 18845  df-sgrp 18937  df-mnd 18953  df-mhm 19007  df-submnd 19008  df-grp 19176  df-minusg 19177  df-sbg 19178  df-mulg 19307  df-subg 19362  df-nsg 19363  df-eqg 19364  df-ghm 19457  df-gim 19502  df-ga 19534  df-cntz 19561  df-oppg 19590  df-od 19772  df-gex 19773  df-pgp 19774  df-lsm 19880  df-pj1 19881  df-cmn 20026  df-abl 20027  df-cyg 20122  df-dprd 20241  df-dpj 20242  df-mgp 20391  df-rng 20405  df-ur 20438  df-ring 20491  df-cring 20492  df-oppr 20597  df-dvdsr 20617  df-unit 20618  df-invr 20648  df-dvr 20661  df-rhm 20732  df-subrng 20828  df-subrg 20852  df-drng 21012  df-lmod 21167  df-lss 21237  df-lsp 21277  df-sra 21478  df-rgmod 21479  df-lidl 21516  df-rsp 21517  df-2idl 21573  df-psmet 21700  df-xmet 21701  df-met 21702  df-bl 21703  df-mopn 21704  df-fbas 21705  df-fg 21706  df-cnfld 21709  df-zring 21783  df-zrh 21839  df-zn 21842  df-top 23242  df-topon 23259  df-topsp 23281  df-bases 23294  df-cld 23367  df-ntr 23368  df-cls 23369  df-nei 23446  df-lp 23484  df-perf 23485  df-cn 23575  df-cnp 23576  df-haus 23663  df-cmp 23735  df-tx 23911  df-hmeo 24104  df-fil 24195  df-fm 24287  df-flim 24288  df-flf 24289  df-xms 24669  df-ms 24670  df-tms 24671  df-cncf 25229  df-0p 26021  df-limc 26216  df-dv 26217  df-ply 26536  df-idp 26537  df-coe 26538  df-dgr 26539  df-quot 26642  df-ulm 26734  df-log 26914  df-cxp 26915  df-atan 27225  df-em 27350  df-cht 27454  df-vma 27455  df-chp 27456  df-ppi 27457  df-mu 27458  df-dchr 27590

This theorem is used by: (None)