Theorem flt4lem5f 43104

Description: Final equation of https://crypto.stanford.edu/pbc/notes/numberfield/fermatn4.html. Given 𝐴↑4 + 𝐵↑4 = 𝐶↑2, provide a smaller solution. This satisfies the infinite descent condition. (Contributed by SN, 24-Aug-2024.)

Hypotheses

Ref	Expression
flt4lem5a.m	⊢ 𝑀 = (((√‘(𝐶 + (𝐵↑2))) + (√‘(𝐶 − (𝐵↑2)))) / 2)
flt4lem5a.n	⊢ 𝑁 = (((√‘(𝐶 + (𝐵↑2))) − (√‘(𝐶 − (𝐵↑2)))) / 2)
flt4lem5a.r	⊢ 𝑅 = (((√‘(𝑀 + 𝑁)) + (√‘(𝑀 − 𝑁))) / 2)
flt4lem5a.s	⊢ 𝑆 = (((√‘(𝑀 + 𝑁)) − (√‘(𝑀 − 𝑁))) / 2)
flt4lem5a.a	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℕ)
flt4lem5a.b	⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ ℕ)
flt4lem5a.c	⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ℕ)
flt4lem5a.1	⊢ (𝜑 → ¬ 2 ∥ 𝐴)
flt4lem5a.2	⊢ (𝜑 → (𝐴 gcd 𝐶) = 1)
flt4lem5a.3	⊢ (𝜑 → ((𝐴↑4) + (𝐵↑4)) = (𝐶↑2))

Assertion

Ref	Expression
flt4lem5f	⊢ (𝜑 → ((𝑀 gcd (𝐵 / 2))↑2) = (((𝑅 gcd (𝐵 / 2))↑4) + ((𝑆 gcd (𝐵 / 2))↑4)))

Proof of Theorem flt4lem5f

Step	Hyp	Ref	Expression
1		flt4lem5a.m	. . 3 ⊢ 𝑀 = (((√‘(𝐶 + (𝐵↑2))) + (√‘(𝐶 − (𝐵↑2)))) / 2)
2		flt4lem5a.n	. . 3 ⊢ 𝑁 = (((√‘(𝐶 + (𝐵↑2))) − (√‘(𝐶 − (𝐵↑2)))) / 2)
3		flt4lem5a.r	. . 3 ⊢ 𝑅 = (((√‘(𝑀 + 𝑁)) + (√‘(𝑀 − 𝑁))) / 2)
4		flt4lem5a.s	. . 3 ⊢ 𝑆 = (((√‘(𝑀 + 𝑁)) − (√‘(𝑀 − 𝑁))) / 2)
5		flt4lem5a.a	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ ℕ)
6		flt4lem5a.b	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ ℕ)
7		flt4lem5a.c	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ℕ)
8		flt4lem5a.1	. . 3 ⊢ (𝜑 → ¬ 2 ∥ 𝐴)
9		flt4lem5a.2	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐴 gcd 𝐶) = 1)
10		flt4lem5a.3	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((𝐴↑4) + (𝐵↑4)) = (𝐶↑2))
11	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10	flt4lem5d 43102	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝑀 = ((𝑅↑2) + (𝑆↑2)))
12	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10	flt4lem5e 43103	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (((𝑅 gcd 𝑆) = 1 ∧ (𝑅 gcd 𝑀) = 1 ∧ (𝑆 gcd 𝑀) = 1) ∧ (𝑅 ∈ ℕ ∧ 𝑆 ∈ ℕ ∧ 𝑀 ∈ ℕ) ∧ ((𝑀 · (𝑅 · 𝑆)) = ((𝐵 / 2)↑2) ∧ (𝐵 / 2) ∈ ℕ)))
13	12	simp2d 1144	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑅 ∈ ℕ ∧ 𝑆 ∈ ℕ ∧ 𝑀 ∈ ℕ))
14	13	simp3d 1145	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℕ)
15	13	simp1d 1143	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑅 ∈ ℕ)
16	13	simp2d 1144	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ ℕ)
17	15, 16	nnmulcld 12221	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝑅 · 𝑆) ∈ ℕ)
18	12	simp3d 1145	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · (𝑅 · 𝑆)) = ((𝐵 / 2)↑2) ∧ (𝐵 / 2) ∈ ℕ))
19	18	simprd 495	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐵 / 2) ∈ ℕ)
20	14	nnzd 12541	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℤ)
21	15	nnzd 12541	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑅 ∈ ℤ)
22	20, 21	gcdcomd 16474	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑀 gcd 𝑅) = (𝑅 gcd 𝑀))
23	12	simp1d 1143	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((𝑅 gcd 𝑆) = 1 ∧ (𝑅 gcd 𝑀) = 1 ∧ (𝑆 gcd 𝑀) = 1))
24	23	simp2d 1144	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑅 gcd 𝑀) = 1)
25	22, 24	eqtrd 2772	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑀 gcd 𝑅) = 1)
26	16	nnzd 12541	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ ℤ)
27	20, 26	gcdcomd 16474	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑀 gcd 𝑆) = (𝑆 gcd 𝑀))
28	23	simp3d 1145	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑆 gcd 𝑀) = 1)
29	27, 28	eqtrd 2772	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑀 gcd 𝑆) = 1)
30		rpmul 16619	. . . . . 6 ⊢ ((𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝑅 ∈ ℤ ∧ 𝑆 ∈ ℤ) → (((𝑀 gcd 𝑅) = 1 ∧ (𝑀 gcd 𝑆) = 1) → (𝑀 gcd (𝑅 · 𝑆)) = 1))
31	20, 21, 26, 30	syl3anc 1374	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (((𝑀 gcd 𝑅) = 1 ∧ (𝑀 gcd 𝑆) = 1) → (𝑀 gcd (𝑅 · 𝑆)) = 1))
32	25, 29, 31	mp2and 700	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝑀 gcd (𝑅 · 𝑆)) = 1)
33	18	simpld 494	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝑀 · (𝑅 · 𝑆)) = ((𝐵 / 2)↑2))
34	14, 17, 19, 32, 33	flt4lem4 43096	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝑀 = ((𝑀 gcd (𝐵 / 2))↑2) ∧ (𝑅 · 𝑆) = (((𝑅 · 𝑆) gcd (𝐵 / 2))↑2)))
35	34	simpld 494	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝑀 = ((𝑀 gcd (𝐵 / 2))↑2))
36	14, 16	nnmulcld 12221	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝑀 · 𝑆) ∈ ℕ)
37	36	nnzd 12541	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝑀 · 𝑆) ∈ ℤ)
38	37, 21	gcdcomd 16474	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑆) gcd 𝑅) = (𝑅 gcd (𝑀 · 𝑆)))
39	23	simp1d 1143	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝑅 gcd 𝑆) = 1)
40		rpmul 16619	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑅 ∈ ℤ ∧ 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝑆 ∈ ℤ) → (((𝑅 gcd 𝑀) = 1 ∧ (𝑅 gcd 𝑆) = 1) → (𝑅 gcd (𝑀 · 𝑆)) = 1))
41	21, 20, 26, 40	syl3anc 1374	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (((𝑅 gcd 𝑀) = 1 ∧ (𝑅 gcd 𝑆) = 1) → (𝑅 gcd (𝑀 · 𝑆)) = 1))
42	24, 39, 41	mp2and 700	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (𝑅 gcd (𝑀 · 𝑆)) = 1)
43	38, 42	eqtrd 2772	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑆) gcd 𝑅) = 1)
44	14	nncnd 12181	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝑀 ∈ ℂ)
45	16	nncnd 12181	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ ℂ)
46	15	nncnd 12181	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝑅 ∈ ℂ)
47	44, 45, 46	mul32d 11347	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑆) · 𝑅) = ((𝑀 · 𝑅) · 𝑆))
48	44, 46, 45	mulassd 11159	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑅) · 𝑆) = (𝑀 · (𝑅 · 𝑆)))
49	48, 33	eqtrd 2772	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑅) · 𝑆) = ((𝐵 / 2)↑2))
50	47, 49	eqtrd 2772	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑆) · 𝑅) = ((𝐵 / 2)↑2))
51	36, 15, 19, 43, 50	flt4lem4 43096	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑆) = (((𝑀 · 𝑆) gcd (𝐵 / 2))↑2) ∧ 𝑅 = ((𝑅 gcd (𝐵 / 2))↑2)))
52	51	simprd 495	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑅 = ((𝑅 gcd (𝐵 / 2))↑2))
53	52	oveq1d 7375	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝑅↑2) = (((𝑅 gcd (𝐵 / 2))↑2)↑2))
54		gcdnncl 16467	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑅 ∈ ℕ ∧ (𝐵 / 2) ∈ ℕ) → (𝑅 gcd (𝐵 / 2)) ∈ ℕ)
55	15, 19, 54	syl2anc 585	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑅 gcd (𝐵 / 2)) ∈ ℕ)
56	55	nncnd 12181	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑅 gcd (𝐵 / 2)) ∈ ℂ)
57	56	flt4lem 43092	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((𝑅 gcd (𝐵 / 2))↑4) = (((𝑅 gcd (𝐵 / 2))↑2)↑2))
58	53, 57	eqtr4d 2775	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝑅↑2) = ((𝑅 gcd (𝐵 / 2))↑4))
59	14, 15	nnmulcld 12221	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝑀 · 𝑅) ∈ ℕ)
60	59	nnzd 12541	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝑀 · 𝑅) ∈ ℤ)
61	60, 26	gcdcomd 16474	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑅) gcd 𝑆) = (𝑆 gcd (𝑀 · 𝑅)))
62	26, 21	gcdcomd 16474	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → (𝑆 gcd 𝑅) = (𝑅 gcd 𝑆))
63	62, 39	eqtrd 2772	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝑆 gcd 𝑅) = 1)
64		rpmul 16619	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑆 ∈ ℤ ∧ 𝑀 ∈ ℤ ∧ 𝑅 ∈ ℤ) → (((𝑆 gcd 𝑀) = 1 ∧ (𝑆 gcd 𝑅) = 1) → (𝑆 gcd (𝑀 · 𝑅)) = 1))
65	26, 20, 21, 64	syl3anc 1374	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (((𝑆 gcd 𝑀) = 1 ∧ (𝑆 gcd 𝑅) = 1) → (𝑆 gcd (𝑀 · 𝑅)) = 1))
66	28, 63, 65	mp2and 700	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (𝑆 gcd (𝑀 · 𝑅)) = 1)
67	61, 66	eqtrd 2772	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑅) gcd 𝑆) = 1)
68	59, 16, 19, 67, 49	flt4lem4 43096	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 · 𝑅) = (((𝑀 · 𝑅) gcd (𝐵 / 2))↑2) ∧ 𝑆 = ((𝑆 gcd (𝐵 / 2))↑2)))
69	68	simprd 495	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑆 = ((𝑆 gcd (𝐵 / 2))↑2))
70	69	oveq1d 7375	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝑆↑2) = (((𝑆 gcd (𝐵 / 2))↑2)↑2))
71		gcdnncl 16467	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑆 ∈ ℕ ∧ (𝐵 / 2) ∈ ℕ) → (𝑆 gcd (𝐵 / 2)) ∈ ℕ)
72	16, 19, 71	syl2anc 585	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑆 gcd (𝐵 / 2)) ∈ ℕ)
73	72	nncnd 12181	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑆 gcd (𝐵 / 2)) ∈ ℂ)
74	73	flt4lem 43092	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((𝑆 gcd (𝐵 / 2))↑4) = (((𝑆 gcd (𝐵 / 2))↑2)↑2))
75	70, 74	eqtr4d 2775	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝑆↑2) = ((𝑆 gcd (𝐵 / 2))↑4))
76	58, 75	oveq12d 7378	. 2 ⊢ (𝜑 → ((𝑅↑2) + (𝑆↑2)) = (((𝑅 gcd (𝐵 / 2))↑4) + ((𝑆 gcd (𝐵 / 2))↑4)))
77	11, 35, 76	3eqtr3d 2780	1 ⊢ (𝜑 → ((𝑀 gcd (𝐵 / 2))↑2) = (((𝑅 gcd (𝐵 / 2))↑4) + ((𝑆 gcd (𝐵 / 2))↑4)))

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ∧ wa 395   ∧ w3a 1087   = wceq 1542   ∈ wcel 2114   class class class wbr 5086  ‘cfv 6492  (class class class)co 7360  1c1 11030   + caddc 11032   · cmul 11034   − cmin 11368   / cdiv 11798  ℕcn 12165  2c2 12227  4c4 12229  ℤcz 12515  ↑cexp 14014  √csqrt 15186   ∥ cdvds 16212   gcd cgcd 16454

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 1912  ax-6 1969  ax-7 2010  ax-8 2116  ax-9 2124  ax-10 2147  ax-11 2163  ax-12 2185  ax-ext 2709  ax-sep 5231  ax-nul 5241  ax-pow 5302  ax-pr 5370  ax-un 7682  ax-cnex 11085  ax-resscn 11086  ax-1cn 11087  ax-icn 11088  ax-addcl 11089  ax-addrcl 11090  ax-mulcl 11091  ax-mulrcl 11092  ax-mulcom 11093  ax-addass 11094  ax-mulass 11095  ax-distr 11096  ax-i2m1 11097  ax-1ne0 11098  ax-1rid 11099  ax-rnegex 11100  ax-rrecex 11101  ax-cnre 11102  ax-pre-lttri 11103  ax-pre-lttrn 11104  ax-pre-ltadd 11105  ax-pre-mulgt0 11106  ax-pre-sup 11107

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 849  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2069  df-mo 2540  df-eu 2570  df-clab 2716  df-cleq 2729  df-clel 2812  df-nfc 2886  df-ne 2934  df-nel 3038  df-ral 3053  df-rex 3063  df-rmo 3343  df-reu 3344  df-rab 3391  df-v 3432  df-sbc 3730  df-csb 3839  df-dif 3893  df-un 3895  df-in 3897  df-ss 3907  df-pss 3910  df-nul 4275  df-if 4468  df-pw 4544  df-sn 4569  df-pr 4571  df-op 4575  df-uni 4852  df-iun 4936  df-br 5087  df-opab 5149  df-mpt 5168  df-tr 5194  df-id 5519  df-eprel 5524  df-po 5532  df-so 5533  df-fr 5577  df-we 5579  df-xp 5630  df-rel 5631  df-cnv 5632  df-co 5633  df-dm 5634  df-rn 5635  df-res 5636  df-ima 5637  df-pred 6259  df-ord 6320  df-on 6321  df-lim 6322  df-suc 6323  df-iota 6448  df-fun 6494  df-fn 6495  df-f 6496  df-f1 6497  df-fo 6498  df-f1o 6499  df-fv 6500  df-riota 7317  df-ov 7363  df-oprab 7364  df-mpo 7365  df-om 7811  df-1st 7935  df-2nd 7936  df-frecs 8224  df-wrecs 8255  df-recs 8304  df-rdg 8342  df-1o 8398  df-2o 8399  df-er 8636  df-en 8887  df-dom 8888  df-sdom 8889  df-fin 8890  df-sup 9348  df-inf 9349  df-pnf 11172  df-mnf 11173  df-xr 11174  df-ltxr 11175  df-le 11176  df-sub 11370  df-neg 11371  df-div 11799  df-nn 12166  df-2 12235  df-3 12236  df-4 12237  df-n0 12429  df-z 12516  df-uz 12780  df-q 12890  df-rp 12934  df-fz 13453  df-fl 13742  df-mod 13820  df-seq 13955  df-exp 14015  df-cj 15052  df-re 15053  df-im 15054  df-sqrt 15188  df-abs 15189  df-dvds 16213  df-gcd 16455  df-prm 16632  df-numer 16696  df-denom 16697

This theorem is referenced by:  flt4lem7  43106