prmdvdsbc - Mathbox for Thierry Arnoux

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Theorem prmdvdsbc 31130

Description: Condition for a prime number to divide a binomial coefficient. (Contributed by Thierry Arnoux, 17-Sep-2023.)

**Assertion**
Ref	Expression
prmdvdsbc	⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∥ (𝑃C𝑁))

**Proof of Theorem prmdvdsbc**
Step	Hyp	Ref	Expression
1		eqid 2738	. . 3 ⊢ ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))) = ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)))
2		simpl 483	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∈ ℙ)
3		prmnn 16379	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
4	3	nnzd 12425	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℤ)
5		1nn0 12249	. . . . . . . . 9 ⊢ 1 ∈ ℕ₀
6		eluzmn 12589	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℤ ∧ 1 ∈ ℕ₀) → 𝑃 ∈ (ℤ_≥‘(𝑃 − 1)))
7	4, 5, 6	sylancl 586	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ (ℤ_≥‘(𝑃 − 1)))
8		fzss2 13296	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑃 ∈ (ℤ_≥‘(𝑃 − 1)) → (1...(𝑃 − 1)) ⊆ (1...𝑃))
9	7, 8	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → (1...(𝑃 − 1)) ⊆ (1...𝑃))
10		fz1ssfz0 13352	. . . . . . 7 ⊢ (1...𝑃) ⊆ (0...𝑃)
11	9, 10	sstrdi 3933	. . . . . 6 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → (1...(𝑃 − 1)) ⊆ (0...𝑃))
12	11	sselda 3921	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ (0...𝑃))
13		bcval2 14019	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ (0...𝑃) → (𝑃C𝑁) = ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))))
14	12, 13	syl 17	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (𝑃C𝑁) = ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))))
15	3	nnnn0d 12293	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ₀)
16	15	adantr 481	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∈ ℕ₀)
17		elfzelz 13256	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1)) → 𝑁 ∈ ℤ)
18	17	adantl 482	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ ℤ)
19		bccl 14036	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ₀ ∧ 𝑁 ∈ ℤ) → (𝑃C𝑁) ∈ ℕ₀)
20	16, 18, 19	syl2anc 584	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (𝑃C𝑁) ∈ ℕ₀)
21	20	nn0zd 12424	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (𝑃C𝑁) ∈ ℤ)
22	14, 21	eqeltrrd 2840	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))) ∈ ℤ)
23		elfznn 13285	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1)) → 𝑁 ∈ ℕ)
24	23	adantl 482	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ ℕ)
25	24	nnnn0d 12293	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ ℕ₀)
26		1zzd 12351	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 1 ∈ ℤ)
27	4	adantr 481	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∈ ℤ)
28		simpr 485	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1)))
29		elfzm11 13327	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((1 ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℤ) → (𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1)) ↔ (𝑁 ∈ ℤ ∧ 1 ≤ 𝑁 ∧ 𝑁 < 𝑃)))
30	29	biimpa 477	. . . . . . . . 9 ⊢ (((1 ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℤ) ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (𝑁 ∈ ℤ ∧ 1 ≤ 𝑁 ∧ 𝑁 < 𝑃))
31	30	simp3d 1143	. . . . . . . 8 ⊢ (((1 ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℤ) ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 < 𝑃)
32	26, 27, 28, 31	syl21anc 835	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 < 𝑃)
33		ltsubnn0 12284	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ₀ ∧ 𝑁 ∈ ℕ₀) → (𝑁 < 𝑃 → (𝑃 − 𝑁) ∈ ℕ₀))
34	33	imp 407	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑃 ∈ ℕ₀ ∧ 𝑁 ∈ ℕ₀) ∧ 𝑁 < 𝑃) → (𝑃 − 𝑁) ∈ ℕ₀)
35	16, 25, 32, 34	syl21anc 835	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (𝑃 − 𝑁) ∈ ℕ₀)
36	35	faccld 13998	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℕ)
37	36	nnzd 12425	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℤ)
38	25	faccld 13998	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
39	38	nnzd 12425	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘𝑁) ∈ ℤ)
40	37, 39	zmulcld 12432	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)) ∈ ℤ)
41	37	zcnd 12427	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℂ)
42	39	zcnd 12427	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘𝑁) ∈ ℂ)
43		facne0 14000	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 − 𝑁) ∈ ℕ₀ → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ≠ 0)
44	35, 43	syl 17	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ≠ 0)
45		facne0 14000	. . . . 5 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ₀ → (!‘𝑁) ≠ 0)
46	25, 45	syl 17	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘𝑁) ≠ 0)
47	41, 42, 44, 46	mulne0d 11627	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)) ≠ 0)
48		uzid 12597	. . . . . 6 ⊢ (𝑃 ∈ ℤ → 𝑃 ∈ (ℤ_≥‘𝑃))
49	4, 48	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ (ℤ_≥‘𝑃))
50		dvdsfac 16035	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ ∧ 𝑃 ∈ (ℤ_≥‘𝑃)) → 𝑃 ∥ (!‘𝑃))
51	3, 49, 50	syl2anc 584	. . . 4 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∥ (!‘𝑃))
52	51	adantr 481	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∥ (!‘𝑃))
53	16	nn0red 12294	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∈ ℝ)
54	24	nnrpd 12770	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ ℝ⁺)
55	53, 54	ltsubrpd 12804	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (𝑃 − 𝑁) < 𝑃)
56		prmndvdsfaclt 16430	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ (𝑃 − 𝑁) ∈ ℕ₀) → ((𝑃 − 𝑁) < 𝑃 → ¬ 𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁))))
57	56	imp 407	. . . . 5 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ (𝑃 − 𝑁) ∈ ℕ₀) ∧ (𝑃 − 𝑁) < 𝑃) → ¬ 𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)))
58	2, 35, 55, 57	syl21anc 835	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ¬ 𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)))
59		prmndvdsfaclt 16430	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℕ₀) → (𝑁 < 𝑃 → ¬ 𝑃 ∥ (!‘𝑁)))
60	59	imp 407	. . . . 5 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℕ₀) ∧ 𝑁 < 𝑃) → ¬ 𝑃 ∥ (!‘𝑁))
61	2, 25, 32, 60	syl21anc 835	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ¬ 𝑃 ∥ (!‘𝑁))
62		ioran 981	. . . . . 6 ⊢ (¬ (𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∨ 𝑃 ∥ (!‘𝑁)) ↔ (¬ 𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∧ ¬ 𝑃 ∥ (!‘𝑁)))
63		euclemma 16418	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℤ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℤ) → (𝑃 ∥ ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)) ↔ (𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∨ 𝑃 ∥ (!‘𝑁))))
64	63	biimpd 228	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℤ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℤ) → (𝑃 ∥ ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)) → (𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∨ 𝑃 ∥ (!‘𝑁))))
65	64	con3d 152	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℤ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℤ) → (¬ (𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∨ 𝑃 ∥ (!‘𝑁)) → ¬ 𝑃 ∥ ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))))
66	62, 65	syl5bir 242	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℤ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℤ) → ((¬ 𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∧ ¬ 𝑃 ∥ (!‘𝑁)) → ¬ 𝑃 ∥ ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))))
67	66	imp 407	. . . 4 ⊢ (((𝑃 ∈ ℙ ∧ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℤ ∧ (!‘𝑁) ∈ ℤ) ∧ (¬ 𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∧ ¬ 𝑃 ∥ (!‘𝑁))) → ¬ 𝑃 ∥ ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)))
68	2, 37, 39, 58, 61, 67	syl32anc 1377	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ¬ 𝑃 ∥ ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)))
69	1, 2, 22, 40, 47, 52, 68	dvdszzq 31129	. 2 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∥ ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))))
70	69, 14	breqtrrd 5102	1 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∥ (𝑃C𝑁))

Colors of variables: wff setvar class

Syntax hints: ¬ wn 3 → wi 4 ∧ wa 396 ∨ wo 844 ∧ w3a 1086 = wceq 1539 ∈ wcel 2106 ≠ wne 2943 ⊆ wss 3887 class class class wbr 5074 ‘cfv 6433 (class class class)co 7275 0cc0 10871 1c1 10872 · cmul 10876 < clt 11009 ≤ cle 11010 − cmin 11205 / cdiv 11632 ℕcn 11973 ℕ₀cn0 12233 ℤcz 12319 ℤ_≥cuz 12582 ...cfz 13239 !cfa 13987 Ccbc 14016 ∥ cdvds 15963 ℙcprime 16376

This theorem was proved from axioms: ax-mp 5 ax-1 6 ax-2 7 ax-3 8 ax-gen 1798 ax-4 1812 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 2709 ax-sep 5223 ax-nul 5230 ax-pow 5288 ax-pr 5352 ax-un 7588 ax-cnex 10927 ax-resscn 10928 ax-1cn 10929 ax-icn 10930 ax-addcl 10931 ax-addrcl 10932 ax-mulcl 10933 ax-mulrcl 10934 ax-mulcom 10935 ax-addass 10936 ax-mulass 10937 ax-distr 10938 ax-i2m1 10939 ax-1ne0 10940 ax-1rid 10941 ax-rnegex 10942 ax-rrecex 10943 ax-cnre 10944 ax-pre-lttri 10945 ax-pre-lttrn 10946 ax-pre-ltadd 10947 ax-pre-mulgt0 10948 ax-pre-sup 10949

This theorem depends on definitions: df-bi 206 df-an 397 df-or 845 df-3or 1087 df-3an 1088 df-tru 1542 df-fal 1552 df-ex 1783 df-nf 1787 df-sb 2068 df-mo 2540 df-eu 2569 df-clab 2716 df-cleq 2730 df-clel 2816 df-nfc 2889 df-ne 2944 df-nel 3050 df-ral 3069 df-rex 3070 df-rmo 3071 df-reu 3072 df-rab 3073 df-v 3434 df-sbc 3717 df-csb 3833 df-dif 3890 df-un 3892 df-in 3894 df-ss 3904 df-pss 3906 df-nul 4257 df-if 4460 df-pw 4535 df-sn 4562 df-pr 4564 df-op 4568 df-uni 4840 df-iun 4926 df-br 5075 df-opab 5137 df-mpt 5158 df-tr 5192 df-id 5489 df-eprel 5495 df-po 5503 df-so 5504 df-fr 5544 df-we 5546 df-xp 5595 df-rel 5596 df-cnv 5597 df-co 5598 df-dm 5599 df-rn 5600 df-res 5601 df-ima 5602 df-pred 6202 df-ord 6269 df-on 6270 df-lim 6271 df-suc 6272 df-iota 6391 df-fun 6435 df-fn 6436 df-f 6437 df-f1 6438 df-fo 6439 df-f1o 6440 df-fv 6441 df-riota 7232 df-ov 7278 df-oprab 7279 df-mpo 7280 df-om 7713 df-1st 7831 df-2nd 7832 df-frecs 8097 df-wrecs 8128 df-recs 8202 df-rdg 8241 df-1o 8297 df-2o 8298 df-er 8498 df-en 8734 df-dom 8735 df-sdom 8736 df-fin 8737 df-sup 9201 df-inf 9202 df-pnf 11011 df-mnf 11012 df-xr 11013 df-ltxr 11014 df-le 11015 df-sub 11207 df-neg 11208 df-div 11633 df-nn 11974 df-2 12036 df-3 12037 df-n0 12234 df-z 12320 df-uz 12583 df-rp 12731 df-fz 13240 df-fl 13512 df-mod 13590 df-seq 13722 df-exp 13783 df-fac 13988 df-bc 14017 df-cj 14810 df-re 14811 df-im 14812 df-sqrt 14946 df-abs 14947 df-dvds 15964 df-gcd 16202 df-prm 16377

This theorem is referenced by: freshmansdream 31484

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