Theorem rtelextdg2 34470

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 21045	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐸 ∈ DivRing)
4		rtelextdg2.10	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (SubDRing‘𝐸))
5	1	sdrgss 21101	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐹 ∈ (SubDRing‘𝐸) → 𝐹 ⊆ 𝑉)
6	4, 5	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ⊆ 𝑉)
7		rtelextdg2.11	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ 𝑉)
8	7	snssd 4749	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → {𝑋} ⊆ 𝑉)
9	6, 8	unssd 4193	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∪ {𝑋}) ⊆ 𝑉)
10	1, 3, 9	fldgenssid 33979	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∪ {𝑋}) ⊆ (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})))
11		ssun2 4180	. . . . . 6 ⊢ {𝑋} ⊆ (𝐹 ∪ {𝑋})
12		snidg 4622	. . . . . . 7 ⊢ (𝑋 ∈ 𝑉 → 𝑋 ∈ {𝑋})
13	7, 12	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ {𝑋})
14	11, 13	sselid 3911	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ (𝐹 ∪ {𝑋}))
15	10, 14	sseldd 3914	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})))
16	15	adantr 486	. . 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 34411	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐿/FldExt𝐾)
20		extdg1id 34409	. . . . . 6 ⊢ ((𝐿/FldExt𝐾 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝐿 = 𝐾)
21	19, 20	sylan 592	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝐿 = 𝐾)
22	21	fveq2d 6920	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → (Base‘𝐿) = (Base‘𝐾))
23	1, 3, 9	fldgenssv 33981	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) ⊆ 𝑉)
24	18, 1	ressbas2 17460	. . . . . 6 ⊢ ((𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) ⊆ 𝑉 → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) = (Base‘𝐿))
25	23, 24	syl 18	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) = (Base‘𝐿))
26	25	adantr 486	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) = (Base‘𝐿))
27	17, 1	ressbas2 17460	. . . . . 6 ⊢ (𝐹 ⊆ 𝑉 → 𝐹 = (Base‘𝐾))
28	6, 27	syl 18	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝐹 = (Base‘𝐾))
29	28	adantr 486	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝐹 = (Base‘𝐾))
30	22, 26, 29	3eqtr4d 2808	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) = 𝐹)
31	16, 30	eleqtrd 2866	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝑋 ∈ 𝐹)
32		simpr 490	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 2) → (𝐿[:]𝐾) = 2)
33		1zzd 12767	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℤ)
34		2z 12768	. . . . . 6 ⊢ 2 ∈ ℤ
35	34	a1i 11	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 2 ∈ ℤ)
36		extdgcl 34399	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐿/FldExt𝐾 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0*)
37	19, 36	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0*)
38		2nn0 12663	. . . . . . . 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 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (var1‘𝐾) = (var1‘𝐾)
49		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (+g‘𝑃) = (+g‘𝑃)
50		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (.r‘𝑃) = (.r‘𝑃)
51		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (.g‘(mulGrp‘𝑃)) = (.g‘(mulGrp‘𝑃))
52		eqid 2763	. . . . . . . 8 ⊢ (algSc‘𝑃) = (algSc‘𝑃)
53		eqid 2763	. . . . . . . 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 34469	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ≤ 2)
55		xnn0lenn0nn0 13415	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0* ∧ 2 ∈ ℕ0 ∧ (𝐿[:]𝐾) ≤ 2) → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0)
56	37, 39, 54, 55	syl3anc 1399	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0)
57	56	nn0zd 12758	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℤ)
58		extdggt0 34400	. . . . . . 7 ⊢ (𝐿/FldExt𝐾 → 0 < (𝐿[:]𝐾))
59	19, 58	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 0 < (𝐿[:]𝐾))
60		zgt0ge1 12792	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐿[:]𝐾) ∈ ℤ → (0 < (𝐿[:]𝐾) ↔ 1 ≤ (𝐿[:]𝐾)))
61	60	biimpa 482	. . . . . 6 ⊢ (((𝐿[:]𝐾) ∈ ℤ ∧ 0 < (𝐿[:]𝐾)) → 1 ≤ (𝐿[:]𝐾))
62	57, 59, 61	syl2anc 596	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 1 ≤ (𝐿[:]𝐾))
63	33, 35, 57, 62, 54	elfzd 13687	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ (1...2))
64		fz12pr 13755	. . . 4 ⊢ (1...2) = {1, 2}
65	63, 64	eleqtrdi 2874	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ {1, 2})
66		elpri 4608	. . 3 ⊢ ((𝐿[:]𝐾) ∈ {1, 2} → ((𝐿[:]𝐾) = 1 ∨ (𝐿[:]𝐾) = 2))
67	65, 66	syl 18	. 2 ⊢ (𝜑 → ((𝐿[:]𝐾) = 1 ∨ (𝐿[:]𝐾) = 2))
68	31, 32, 67	orim12da 980	1 ⊢ (𝜑 → (𝑋 ∈ 𝐹 ∨ (𝐿[:]𝐾) = 2))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   ∨ wo 861   = wceq 1570   ∈ wcel 2147   ⊆ wss 3900   ∪ cun 4152  {csn 4588  {cpr 4590   class class class wbr 5108  ‘cfv 6566  (class class class)co 7451  0cc0 11239  1c1 11240   < clt 11382   ≤ cle 11383  2c2 12437  ℕ₀cn0 12646  ℕ₀^*cxnn0 12719  ℤcz 12733  ...cfz 13679  Basecbs 17431   ↾_s cress 17452  +_gcplusg 17472  ._rcmulr 17473  0_gc0g 17660  ._gcmg 19327  mulGrpcmgp 20411  Fieldcfield 21032  SubDRingcsdrg 21094  algSccascl 22215  var₁cv1 22549  Poly₁cpl1 22550   fldGen cfldgen 33976  /_FldExtcfldext 34381  [:]cextdg 34383

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 5238  ax-sep 5255  ax-nul 5266  ax-pow 5334  ax-pr 5398  ax-un 7783  ax-inf2 9679  ax-ac2 10580  ax-cnex 11295  ax-resscn 11296  ax-1cn 11297  ax-icn 11298  ax-addcl 11299  ax-addrcl 11300  ax-mulcl 11301  ax-mulrcl 11302  ax-mulcom 11303  ax-addass 11304  ax-mulass 11305  ax-distr 11306  ax-i2m1 11307  ax-1ne0 11308  ax-1rid 11309  ax-rnegex 11310  ax-rrecex 11311  ax-cnre 11312  ax-pre-lttri 11313  ax-pre-lttrn 11314  ax-pre-ltadd 11315  ax-pre-mulgt0 11316  ax-pre-sup 11317  ax-addf 11318

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 4841  df-uni 4873  df-int 4913  df-iun 4958  df-iin 4959  df-br 5109  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-tr 5219  df-id 5553  df-eprel 5558  df-po 5566  df-so 5567  df-fr 5611  df-se 5612  df-we 5613  df-xp 5664  df-rel 5665  df-cnv 5666  df-co 5667  df-dm 5668  df-rn 5669  df-res 5670  df-ima 5671  df-pred 6330  df-ord 6391  df-on 6392  df-lim 6393  df-suc 6394  df-iota 6520  df-fun 6568  df-fn 6569  df-f 6570  df-f1 6571  df-fo 6572  df-f1o 6573  df-fv 6574  df-isom 6575  df-riota 7408  df-ov 7454  df-oprab 7455  df-mpo 7456  df-of 7725  df-ofr 7726  df-rpss 7771  df-om 7912  df-1st 8035  df-2nd 8036  df-supp 8215  df-tpos 8281  df-frecs 8337  df-wrecs 8368  df-recs 8417  df-rdg 8456  df-1o 8514  df-2o 8515  df-oadd 8518  df-er 8755  df-ec 8757  df-qs 8761  df-map 8887  df-pm 8888  df-ixp 8964  df-en 9012  df-dom 9013  df-sdom 9014  df-fin 9015  df-fsupp 9392  df-sup 9471  df-inf 9472  df-oi 9541  df-dju 10019  df-card 10057  df-acn 10060  df-ac 10234  df-pnf 11384  df-mnf 11385  df-xr 11386  df-ltxr 11387  df-le 11388  df-sub 11582  df-neg 11583  df-nn 12376  df-2 12445  df-3 12446  df-4 12447  df-5 12448  df-6 12449  df-7 12450  df-8 12451  df-9 12452  df-n0 12647  df-xnn0 12720  df-z 12734  df-dec 12855  df-uz 13006  df-ico 13522  df-fz 13680  df-fzo 13829  df-seq 14185  df-hash 14516  df-struct 17369  df-sets 17386  df-slot 17404  df-ndx 17416  df-base 17432  df-ress 17453  df-plusg 17486  df-mulr 17487  df-starv 17488  df-sca 17489  df-vsca 17490  df-ip 17491  df-tset 17492  df-ple 17493  df-ocomp 17494  df-ds 17495  df-unif 17496  df-hom 17497  df-cco 17498  df-euf 17499  df-0g 17662  df-gsum 17663  df-prds 17668  df-pws 17670  df-imas 17730  df-qus 17731  df-mre 17806  df-mrc 17807  df-mri 17808  df-acs 17809  df-proset 18518  df-drs 18519  df-poset 18537  df-ipo 18752  df-mgm 18866  df-sgrp 18958  df-mnd 18974  df-mhm 19028  df-submnd 19029  df-grp 19197  df-minusg 19198  df-sbg 19199  df-mulg 19328  df-subg 19383  df-nsg 19384  df-eqg 19385  df-ghm 19478  df-gim 19523  df-cntz 19582  df-oppg 19611  df-lsm 19901  df-cmn 20047  df-abl 20048  df-mgp 20412  df-rng 20426  df-ur 20459  df-srg 20464  df-ring 20512  df-cring 20513  df-oppr 20618  df-dvdsr 20638  df-unit 20639  df-irred 20640  df-invr 20669  df-dvr 20682  df-rhm 20753  df-nzr 20814  df-subrng 20849  df-subrg 20873  df-rlreg 20997  df-domn 20998  df-idom 20999  df-drng 21033  df-field 21034  df-sdrg 21095  df-lmod 21188  df-lss 21258  df-lsp 21298  df-lmhm 21348  df-lmim 21349  df-lmic 21350  df-lbs 21401  df-lvec 21429  df-sra 21499  df-rgmod 21500  df-lidl 21537  df-rsp 21538  df-2idl 21594  df-lpidl 21697  df-lpir 21698  df-pid 21712  df-cnfld 21730  df-dsmm 22093  df-frlm 22108  df-uvc 22144  df-lindf 22167  df-linds 22168  df-assa 22216  df-asp 22217  df-ascl 22218  df-psr 22272  df-mvr 22273  df-mpl 22274  df-opsr 22276  df-evls 22438  df-evl 22439  df-psr1 22553  df-vr1 22554  df-ply1 22555  df-coe1 22556  df-evls1 22688  df-evl1 22689  df-mdeg 26428  df-deg1 26429  df-mon1 26504  df-uc1p 26505  df-q1p 26506  df-r1p 26507  df-ig1p 26508  df-fldgen 33977  df-mxidl 34089  df-dim 34343  df-fldext 34384  df-extdg 34385  df-irng 34427  df-minply 34443

This theorem is used by:  constrelextdg2  34490