prmdvdsbc - Mathbox for Thierry Arnoux

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Theorem prmdvdsbc 32009

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 2732	. . 3 ⊢ ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))) = ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)))
2		simpl 483	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∈ ℙ)
3		prmnn 16607	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
4	3	nnzd 12581	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℤ)
5		1nn0 12484	. . . . . . . . 9 ⊢ 1 ∈ ℕ₀
6		eluzmn 12825	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑃 ∈ ℤ ∧ 1 ∈ ℕ₀) → 𝑃 ∈ (ℤ_≥‘(𝑃 − 1)))
7	4, 5, 6	sylancl 586	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ (ℤ_≥‘(𝑃 − 1)))
8		fzss2 13537	. . . . . . . 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 13593	. . . . . . 7 ⊢ (1...𝑃) ⊆ (0...𝑃)
11	9, 10	sstrdi 3993	. . . . . 6 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → (1...(𝑃 − 1)) ⊆ (0...𝑃))
12	11	sselda 3981	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ (0...𝑃))
13		bcval2 14261	. . . . 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 12528	. . . . . . 7 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ₀)
16	15	adantr 481	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∈ ℕ₀)
17		elfzelz 13497	. . . . . . 7 ⊢ (𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1)) → 𝑁 ∈ ℤ)
18	17	adantl 482	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ ℤ)
19		bccl 14278	. . . . . 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 12580	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (𝑃C𝑁) ∈ ℤ)
22	14, 21	eqeltrrd 2834	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))) ∈ ℤ)
23		elfznn 13526	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1)) → 𝑁 ∈ ℕ)
24	23	adantl 482	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ ℕ)
25	24	nnnn0d 12528	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ ℕ₀)
26		1zzd 12589	. . . . . . . 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 13568	. . . . . . . . . 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 1144	. . . . . . . 8 ⊢ (((1 ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℤ) ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 < 𝑃)
32	26, 27, 28, 31	syl21anc 836	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 < 𝑃)
33		ltsubnn0 12519	. . . . . . . 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 836	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (𝑃 − 𝑁) ∈ ℕ₀)
36	35	faccld 14240	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℕ)
37	36	nnzd 12581	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℤ)
38	25	faccld 14240	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘𝑁) ∈ ℕ)
39	38	nnzd 12581	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘𝑁) ∈ ℤ)
40	37, 39	zmulcld 12668	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)) ∈ ℤ)
41	37	zcnd 12663	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∈ ℂ)
42	39	zcnd 12663	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘𝑁) ∈ ℂ)
43		facne0 14242	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 − 𝑁) ∈ ℕ₀ → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ≠ 0)
44	35, 43	syl 17	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (!‘(𝑃 − 𝑁)) ≠ 0)
45		facne0 14242	. . . . 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 11862	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)) ≠ 0)
48		uzid 12833	. . . . . 6 ⊢ (𝑃 ∈ ℤ → 𝑃 ∈ (ℤ_≥‘𝑃))
49	4, 48	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ (ℤ_≥‘𝑃))
50		dvdsfac 16265	. . . . 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 12529	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∈ ℝ)
54	24	nnrpd 13010	. . . . . 6 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑁 ∈ ℝ⁺)
55	53, 54	ltsubrpd 13044	. . . . 5 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → (𝑃 − 𝑁) < 𝑃)
56		prmndvdsfaclt 16658	. . . . . 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 836	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ¬ 𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)))
59		prmndvdsfaclt 16658	. . . . . 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 836	. . . 4 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ¬ 𝑃 ∥ (!‘𝑁))
62		ioran 982	. . . . . 6 ⊢ (¬ (𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∨ 𝑃 ∥ (!‘𝑁)) ↔ (¬ 𝑃 ∥ (!‘(𝑃 − 𝑁)) ∧ ¬ 𝑃 ∥ (!‘𝑁)))
63		euclemma 16646	. . . . . . . 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	biimtrrid 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 1378	. . 3 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → ¬ 𝑃 ∥ ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁)))
69	1, 2, 22, 40, 47, 52, 68	dvdszzq 32008	. 2 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∥ ((!‘𝑃) / ((!‘(𝑃 − 𝑁)) · (!‘𝑁))))
70	69, 14	breqtrrd 5175	1 ⊢ ((𝑃 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ (1...(𝑃 − 1))) → 𝑃 ∥ (𝑃C𝑁))

Colors of variables: wff setvar class

Syntax hints: ¬ wn 3 → wi 4 ∧ wa 396 ∨ wo 845 ∧ w3a 1087 = wceq 1541 ∈ wcel 2106 ≠ wne 2940 ⊆ wss 3947 class class class wbr 5147 ‘cfv 6540 (class class class)co 7405 0cc0 11106 1c1 11107 · cmul 11111 < clt 11244 ≤ cle 11245 − cmin 11440 / cdiv 11867 ℕcn 12208 ℕ₀cn0 12468 ℤcz 12554 ℤ_≥cuz 12818 ...cfz 13480 !cfa 14229 Ccbc 14258 ∥ cdvds 16193 ℙcprime 16604

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-sep 5298 ax-nul 5305 ax-pow 5362 ax-pr 5426 ax-un 7721 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

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-op 4634 df-uni 4908 df-iun 4998 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-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-riota 7361 df-ov 7408 df-oprab 7409 df-mpo 7410 df-om 7852 df-1st 7971 df-2nd 7972 df-frecs 8262 df-wrecs 8293 df-recs 8367 df-rdg 8406 df-1o 8462 df-2o 8463 df-er 8699 df-en 8936 df-dom 8937 df-sdom 8938 df-fin 8939 df-sup 9433 df-inf 9434 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-n0 12469 df-z 12555 df-uz 12819 df-rp 12971 df-fz 13481 df-fl 13753 df-mod 13831 df-seq 13963 df-exp 14024 df-fac 14230 df-bc 14259 df-cj 15042 df-re 15043 df-im 15044 df-sqrt 15178 df-abs 15179 df-dvds 16194 df-gcd 16432 df-prm 16605

This theorem is referenced by: freshmansdream 32369

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