Theorem rtelextdg2 34021

Description: If an element 𝑋 is a solution of a quadratic equation, then it is either in the base field, or the degree of its field extension is exactly 2. (Contributed by Thierry Arnoux, 22-Jun-2025.)

Hypotheses

Ref	Expression
rtelextdg2.1	⊢ 𝐾 = (𝐸 ↾s 𝐹)
rtelextdg2.2	⊢ 𝐿 = (𝐸 ↾s (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})))
rtelextdg2.3	⊢ 0 = (0g‘𝐸)
rtelextdg2.4	⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝐾)
rtelextdg2.5	⊢ 𝑉 = (Base‘𝐸)
rtelextdg2.6	⊢ · = (.r‘𝐸)
rtelextdg2.7	⊢ + = (+g‘𝐸)
rtelextdg2.8	⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐸))
rtelextdg2.9	⊢ (𝜑 → 𝐸 ∈ Field)
rtelextdg2.10	⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (SubDRing‘𝐸))
rtelextdg2.11	⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ 𝑉)
rtelextdg2.12	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ 𝐹)
rtelextdg2.13	⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ 𝐹)
rtelextdg2.14	⊢ (𝜑 → ((2 ↑ 𝑋) + ((𝐴 · 𝑋) + 𝐵)) = 0 )

Assertion

Ref	Expression
rtelextdg2	⊢ (𝜑 → (𝑋 ∈ 𝐹 ∨ (𝐿[:]𝐾) = 2))

Proof of Theorem rtelextdg2

Step	Hyp	Ref	Expression
1		rtelextdg2.5	. . . . . 6 ⊢ 𝑉 = (Base‘𝐸)
2		rtelextdg2.9	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐸 ∈ Field)
3	2	flddrngd 20787	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐸 ∈ DivRing)
4		rtelextdg2.10	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (SubDRing‘𝐸))
5	1	sdrgss 20839	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐹 ∈ (SubDRing‘𝐸) → 𝐹 ⊆ 𝑉)
6	4, 5	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ⊆ 𝑉)
7		rtelextdg2.11	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ 𝑉)
8	7	snssd 4745	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → {𝑋} ⊆ 𝑉)
9	6, 8	unssd 4144	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∪ {𝑋}) ⊆ 𝑉)
10	1, 3, 9	fldgenssid 33497	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∪ {𝑋}) ⊆ (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})))
11		ssun2 4131	. . . . . 6 ⊢ {𝑋} ⊆ (𝐹 ∪ {𝑋})
12		snidg 4619	. . . . . . 7 ⊢ (𝑋 ∈ 𝑉 → 𝑋 ∈ {𝑋})
13	7, 12	syl 17	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ {𝑋})
14	11, 13	sselid 3934	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ (𝐹 ∪ {𝑋}))
15	10, 14	sseldd 3937	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})))
16	15	adantr 484	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝑋 ∈ (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})))
17		rtelextdg2.1	. . . . . . 7 ⊢ 𝐾 = (𝐸 ↾s 𝐹)
18		rtelextdg2.2	. . . . . . 7 ⊢ 𝐿 = (𝐸 ↾s (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})))
19	1, 17, 18, 2, 4, 8	fldgenfldext 33962	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐿/FldExt𝐾)
20		extdg1id 33960	. . . . . 6 ⊢ ((𝐿/FldExt𝐾 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝐿 = 𝐾)
21	19, 20	sylan 589	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝐿 = 𝐾)
22	21	fveq2d 6871	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → (Base‘𝐿) = (Base‘𝐾))
23	1, 3, 9	fldgenssv 33499	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) ⊆ 𝑉)
24	18, 1	ressbas2 17274	. . . . . 6 ⊢ ((𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) ⊆ 𝑉 → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) = (Base‘𝐿))
25	23, 24	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) = (Base‘𝐿))
26	25	adantr 484	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) = (Base‘𝐿))
27	17, 1	ressbas2 17274	. . . . . 6 ⊢ (𝐹 ⊆ 𝑉 → 𝐹 = (Base‘𝐾))
28	6, 27	syl 17	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝐹 = (Base‘𝐾))
29	28	adantr 484	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝐹 = (Base‘𝐾))
30	22, 26, 29	3eqtr4d 2807	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) = 𝐹)
31	16, 30	eleqtrd 2864	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝑋 ∈ 𝐹)
32		simpr 488	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 2) → (𝐿[:]𝐾) = 2)
33		1zzd 12602	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℤ)
34		2z 12603	. . . . . 6 ⊢ 2 ∈ ℤ
35	34	a1i 11	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 2 ∈ ℤ)
36		extdgcl 33950	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐿/FldExt𝐾 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0*)
37	19, 36	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0*)
38		2nn0 12498	. . . . . . . 8 ⊢ 2 ∈ ℕ0
39	38	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 2 ∈ ℕ0)
40		rtelextdg2.3	. . . . . . . 8 ⊢ 0 = (0g‘𝐸)
41		rtelextdg2.4	. . . . . . . 8 ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝐾)
42		rtelextdg2.6	. . . . . . . 8 ⊢ · = (.r‘𝐸)
43		rtelextdg2.7	. . . . . . . 8 ⊢ + = (+g‘𝐸)
44		rtelextdg2.8	. . . . . . . 8 ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐸))
45		rtelextdg2.12	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ 𝐹)
46		rtelextdg2.13	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ 𝐹)
47		rtelextdg2.14	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ((2 ↑ 𝑋) + ((𝐴 · 𝑋) + 𝐵)) = 0 )
48		eqid 2762	. . . . . . . 8 ⊢ (var1‘𝐾) = (var1‘𝐾)
49		eqid 2762	. . . . . . . 8 ⊢ (+g‘𝑃) = (+g‘𝑃)
50		eqid 2762	. . . . . . . 8 ⊢ (.r‘𝑃) = (.r‘𝑃)
51		eqid 2762	. . . . . . . 8 ⊢ (.g‘(mulGrp‘𝑃)) = (.g‘(mulGrp‘𝑃))
52		eqid 2762	. . . . . . . 8 ⊢ (algSc‘𝑃) = (algSc‘𝑃)
53		eqid 2762	. . . . . . . 8 ⊢ ((2(.g‘(mulGrp‘𝑃))(var1‘𝐾))(+g‘𝑃)((((algSc‘𝑃)‘𝐴)(.r‘𝑃)(var1‘𝐾))(+g‘𝑃)((algSc‘𝑃)‘𝐵))) = ((2(.g‘(mulGrp‘𝑃))(var1‘𝐾))(+g‘𝑃)((((algSc‘𝑃)‘𝐴)(.r‘𝑃)(var1‘𝐾))(+g‘𝑃)((algSc‘𝑃)‘𝐵)))
54	17, 18, 40, 41, 1, 42, 43, 44, 2, 4, 7, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53	rtelextdg2lem 34020	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ≤ 2)
55		xnn0lenn0nn0 13248	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0* ∧ 2 ∈ ℕ0 ∧ (𝐿[:]𝐾) ≤ 2) → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0)
56	37, 39, 54, 55	syl3anc 1390	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0)
57	56	nn0zd 12593	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℤ)
58		extdggt0 33951	. . . . . . 7 ⊢ (𝐿/FldExt𝐾 → 0 < (𝐿[:]𝐾))
59	19, 58	syl 17	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 0 < (𝐿[:]𝐾))
60		zgt0ge1 12627	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐿[:]𝐾) ∈ ℤ → (0 < (𝐿[:]𝐾) ↔ 1 ≤ (𝐿[:]𝐾)))
61	60	biimpa 480	. . . . . 6 ⊢ (((𝐿[:]𝐾) ∈ ℤ ∧ 0 < (𝐿[:]𝐾)) → 1 ≤ (𝐿[:]𝐾))
62	57, 59, 61	syl2anc 593	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 1 ≤ (𝐿[:]𝐾))
63	33, 35, 57, 62, 54	elfzd 13520	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ (1...2))
64		fz12pr 13586	. . . 4 ⊢ (1...2) = {1, 2}
65	63, 64	eleqtrdi 2872	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ {1, 2})
66		elpri 4606	. . 3 ⊢ ((𝐿[:]𝐾) ∈ {1, 2} → ((𝐿[:]𝐾) = 1 ∨ (𝐿[:]𝐾) = 2))
67	65, 66	syl 17	. 2 ⊢ (𝜑 → ((𝐿[:]𝐾) = 1 ∨ (𝐿[:]𝐾) = 2))
68	31, 32, 67	orim12da 978	1 ⊢ (𝜑 → (𝑋 ∈ 𝐹 ∨ (𝐿[:]𝐾) = 2))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 399   ∨ wo 858   = wceq 1560   ∈ wcel 2142   ∪ cun 3902   ⊆ wss 3904  {csn 4582  {cpr 4584   class class class wbr 5100  ‘cfv 6521  (class class class)co 7396  0cc0 11073  1c1 11074   < clt 11216   ≤ cle 11217  2c2 12272  ℕ₀cn0 12481  ℕ₀^*cxnn0 12554  ℤcz 12568  ...cfz 13512  Basecbs 17245   ↾_s cress 17266  +_gcplusg 17286  ._rcmulr 17287  0_gc0g 17468  ._gcmg 19109  mulGrpcmgp 20186  Fieldcfield 20776  SubDRingcsdrg 20832  algSccascl 21901  var₁cv1 22235  Poly₁cpl1 22236   fldGen cfldgen 33494  /_FldExtcfldext 33932  [:]cextdg 33934

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1815  ax-4 1829  ax-5 1930  ax-6 1987  ax-7 2028  ax-8 2144  ax-9 2152  ax-10 2175  ax-11 2191  ax-12 2212  ax-ext 2734  ax-rep 5227  ax-sep 5246  ax-nul 5256  ax-pow 5322  ax-pr 5390  ax-un 7718  ax-reg 9540  ax-inf2 9596  ax-ac2 10420  ax-cnex 11129  ax-resscn 11130  ax-1cn 11131  ax-icn 11132  ax-addcl 11133  ax-addrcl 11134  ax-mulcl 11135  ax-mulrcl 11136  ax-mulcom 11137  ax-addass 11138  ax-mulass 11139  ax-distr 11140  ax-i2m1 11141  ax-1ne0 11142  ax-1rid 11143  ax-rnegex 11144  ax-rrecex 11145  ax-cnre 11146  ax-pre-lttri 11147  ax-pre-lttrn 11148  ax-pre-ltadd 11149  ax-pre-mulgt0 11150  ax-pre-sup 11151  ax-addf 11152

This theorem depends on definitions:  df-bi 209  df-an 400  df-or 859  df-3or 1099  df-3an 1100  df-tru 1563  df-fal 1573  df-ex 1800  df-nf 1804  df-sb 2091  df-mo 2566  df-eu 2596  df-clab 2741  df-cleq 2754  df-clel 2837  df-nfc 2911  df-ne 2958  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3367  df-reu 3368  df-rab 3415  df-v 3456  df-sbc 3745  df-csb 3853  df-dif 3907  df-un 3909  df-in 3911  df-ss 3921  df-pss 3924  df-nul 4286  df-if 4481  df-pw 4557  df-sn 4583  df-pr 4585  df-tp 4587  df-op 4589  df-uni 4866  df-int 4906  df-iun 4951  df-iin 4952  df-br 5101  df-opab 5163  df-mpt 5182  df-tr 5208  df-id 5542  df-eprel 5547  df-po 5555  df-so 5556  df-fr 5600  df-se 5601  df-we 5602  df-xp 5653  df-rel 5654  df-cnv 5655  df-co 5656  df-dm 5657  df-rn 5658  df-res 5659  df-ima 5660  df-pred 6288  df-ord 6349  df-on 6350  df-lim 6351  df-suc 6352  df-iota 6477  df-fun 6523  df-fn 6524  df-f 6525  df-f1 6526  df-fo 6527  df-f1o 6528  df-fv 6529  df-isom 6530  df-riota 7353  df-ov 7399  df-oprab 7400  df-mpo 7401  df-of 7660  df-ofr 7661  df-rpss 7706  df-om 7847  df-1st 7970  df-2nd 7971  df-supp 8141  df-tpos 8206  df-frecs 8262  df-wrecs 8293  df-recs 8342  df-rdg 8381  df-1o 8437  df-2o 8438  df-oadd 8441  df-er 8678  df-ec 8680  df-qs 8684  df-map 8810  df-pm 8811  df-ixp 8880  df-en 8928  df-dom 8929  df-sdom 8930  df-fin 8931  df-fsupp 9308  df-sup 9388  df-inf 9389  df-oi 9458  df-r1 9722  df-rank 9723  df-dju 9859  df-card 9897  df-acn 9900  df-ac 10072  df-pnf 11218  df-mnf 11219  df-xr 11220  df-ltxr 11221  df-le 11222  df-sub 11416  df-neg 11417  df-nn 12211  df-2 12280  df-3 12281  df-4 12282  df-5 12283  df-6 12284  df-7 12285  df-8 12286  df-9 12287  df-n0 12482  df-xnn0 12555  df-z 12569  df-dec 12689  df-uz 12840  df-ico 13355  df-fz 13513  df-fzo 13660  df-seq 14015  df-hash 14344  df-struct 17183  df-sets 17200  df-slot 17218  df-ndx 17230  df-base 17246  df-ress 17267  df-plusg 17299  df-mulr 17300  df-starv 17301  df-sca 17302  df-vsca 17303  df-ip 17304  df-tset 17305  df-ple 17306  df-ocomp 17307  df-ds 17308  df-unif 17309  df-hom 17310  df-cco 17311  df-0g 17470  df-gsum 17471  df-prds 17476  df-pws 17478  df-imas 17538  df-qus 17539  df-mre 17614  df-mrc 17615  df-mri 17616  df-acs 17617  df-proset 18326  df-drs 18327  df-poset 18345  df-ipo 18560  df-mgm 18674  df-sgrp 18753  df-mnd 18769  df-mhm 18817  df-submnd 18818  df-grp 18978  df-minusg 18979  df-sbg 18980  df-mulg 19110  df-subg 19165  df-nsg 19166  df-eqg 19167  df-ghm 19254  df-gim 19299  df-cntz 19357  df-oppg 19386  df-lsm 19676  df-cmn 19822  df-abl 19823  df-mgp 20187  df-rng 20199  df-ur 20228  df-srg 20233  df-ring 20281  df-cring 20282  df-oppr 20382  df-dvdsr 20402  df-unit 20403  df-irred 20404  df-invr 20433  df-dvr 20446  df-rhm 20517  df-nzr 20559  df-subrng 20592  df-subrg 20616  df-rlreg 20740  df-domn 20741  df-idom 20742  df-drng 20777  df-field 20778  df-sdrg 20833  df-lmod 20926  df-lss 20996  df-lsp 21036  df-lmhm 21086  df-lmim 21087  df-lmic 21088  df-lbs 21139  df-lvec 21167  df-sra 21237  df-rgmod 21238  df-lidl 21275  df-rsp 21276  df-2idl 21317  df-lpidl 21389  df-lpir 21390  df-pid 21404  df-cnfld 21422  df-dsmm 21781  df-frlm 21796  df-uvc 21832  df-lindf 21855  df-linds 21856  df-assa 21902  df-asp 21903  df-ascl 21904  df-psr 21958  df-mvr 21959  df-mpl 21960  df-opsr 21962  df-evls 22124  df-evl 22125  df-psr1 22239  df-vr1 22240  df-ply1 22241  df-coe1 22242  df-evls1 22375  df-evl1 22376  df-mdeg 26112  df-deg1 26113  df-mon1 26188  df-uc1p 26189  df-q1p 26190  df-r1p 26191  df-ig1p 26192  df-fldgen 33495  df-mxidl 33645  df-dim 33894  df-fldext 33935  df-extdg 33936  df-irng 33978  df-minply 33994

This theorem is referenced by:  constrelextdg2  34041