Theorem rtelextdg2 34117

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 20841	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐸 ∈ DivRing)
4		rtelextdg2.10	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (SubDRing‘𝐸))
5	1	sdrgss 20896	. . . . . . . 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 4752	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → {𝑋} ⊆ 𝑉)
9	6, 8	unssd 4145	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∪ {𝑋}) ⊆ 𝑉)
10	1, 3, 9	fldgenssid 33634	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∪ {𝑋}) ⊆ (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})))
11		ssun2 4132	. . . . . 6 ⊢ {𝑋} ⊆ (𝐹 ∪ {𝑋})
12		snidg 4626	. . . . . . 7 ⊢ (𝑋 ∈ 𝑉 → 𝑋 ∈ {𝑋})
13	7, 12	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ {𝑋})
14	11, 13	sselid 3935	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ (𝐹 ∪ {𝑋}))
15	10, 14	sseldd 3938	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})))
16	15	adantr 485	. . 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 34058	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐿/FldExt𝐾)
20		extdg1id 34056	. . . . . 6 ⊢ ((𝐿/FldExt𝐾 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝐿 = 𝐾)
21	19, 20	sylan 591	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝐿 = 𝐾)
22	21	fveq2d 6885	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → (Base‘𝐿) = (Base‘𝐾))
23	1, 3, 9	fldgenssv 33636	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) ⊆ 𝑉)
24	18, 1	ressbas2 17293	. . . . . 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 485	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → (𝐸 fldGen (𝐹 ∪ {𝑋})) = (Base‘𝐿))
27	17, 1	ressbas2 17293	. . . . . 6 ⊢ (𝐹 ⊆ 𝑉 → 𝐹 = (Base‘𝐾))
28	6, 27	syl 18	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝐹 = (Base‘𝐾))
29	28	adantr 485	. . . 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 2865	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 1) → 𝑋 ∈ 𝐹)
32		simpr 489	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝐿[:]𝐾) = 2) → (𝐿[:]𝐾) = 2)
33		1zzd 12620	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 1 ∈ ℤ)
34		2z 12621	. . . . . 6 ⊢ 2 ∈ ℤ
35	34	a1i 11	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 2 ∈ ℤ)
36		extdgcl 34046	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐿/FldExt𝐾 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0*)
37	19, 36	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0*)
38		2nn0 12516	. . . . . . . 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 34116	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ≤ 2)
55		xnn0lenn0nn0 13266	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0* ∧ 2 ∈ ℕ0 ∧ (𝐿[:]𝐾) ≤ 2) → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0)
56	37, 39, 54, 55	syl3anc 1398	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℕ0)
57	56	nn0zd 12611	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ ℤ)
58		extdggt0 34047	. . . . . . 7 ⊢ (𝐿/FldExt𝐾 → 0 < (𝐿[:]𝐾))
59	19, 58	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 0 < (𝐿[:]𝐾))
60		zgt0ge1 12645	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐿[:]𝐾) ∈ ℤ → (0 < (𝐿[:]𝐾) ↔ 1 ≤ (𝐿[:]𝐾)))
61	60	biimpa 481	. . . . . 6 ⊢ (((𝐿[:]𝐾) ∈ ℤ ∧ 0 < (𝐿[:]𝐾)) → 1 ≤ (𝐿[:]𝐾))
62	57, 59, 61	syl2anc 595	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 1 ≤ (𝐿[:]𝐾))
63	33, 35, 57, 62, 54	elfzd 13538	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ (1...2))
64		fz12pr 13605	. . . 4 ⊢ (1...2) = {1, 2}
65	63, 64	eleqtrdi 2873	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐿[:]𝐾) ∈ {1, 2})
66		elpri 4613	. . 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))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 400   ∨ wo 860   = wceq 1570   ∈ wcel 2143   ∪ cun 3903   ⊆ wss 3905  {csn 4589  {cpr 4591   class class class wbr 5109  ‘cfv 6536  (class class class)co 7410  0cc0 11095  1c1 11096   < clt 11238   ≤ cle 11239  2c2 12290  ℕ₀cn0 12499  ℕ₀^*cxnn0 12572  ℤcz 12586  ...cfz 13530  Basecbs 17264   ↾_s cress 17285  +_gcplusg 17305  ._rcmulr 17306  0_gc0g 17487  ._gcmg 19128  mulGrpcmgp 20211  Fieldcfield 20828  SubDRingcsdrg 20889  algSccascl 22002  var₁cv1 22336  Poly₁cpl1 22337   fldGen cfldgen 33631  /_FldExtcfldext 34028  [:]cextdg 34030

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1825  ax-4 1839  ax-5 1940  ax-6 1997  ax-7 2038  ax-8 2145  ax-9 2153  ax-10 2176  ax-11 2192  ax-12 2213  ax-ext 2735  ax-rep 5238  ax-sep 5257  ax-nul 5269  ax-pow 5336  ax-pr 5404  ax-un 7732  ax-reg 9550  ax-inf2 9606  ax-ac2 10442  ax-cnex 11151  ax-resscn 11152  ax-1cn 11153  ax-icn 11154  ax-addcl 11155  ax-addrcl 11156  ax-mulcl 11157  ax-mulrcl 11158  ax-mulcom 11159  ax-addass 11160  ax-mulass 11161  ax-distr 11162  ax-i2m1 11163  ax-1ne0 11164  ax-1rid 11165  ax-rnegex 11166  ax-rrecex 11167  ax-cnre 11168  ax-pre-lttri 11169  ax-pre-lttrn 11170  ax-pre-ltadd 11171  ax-pre-mulgt0 11172  ax-pre-sup 11173  ax-addf 11174

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1810  df-nf 1814  df-sb 2097  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2838  df-nfc 2912  df-ne 2959  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3457  df-sbc 3745  df-csb 3854  df-dif 3908  df-un 3910  df-in 3912  df-ss 3922  df-pss 3925  df-nul 4287  df-if 4488  df-pw 4564  df-sn 4590  df-pr 4592  df-tp 4594  df-op 4596  df-uni 4873  df-int 4913  df-iun 4958  df-iin 4959  df-br 5110  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-tr 5219  df-id 5556  df-eprel 5561  df-po 5569  df-so 5570  df-fr 5614  df-se 5615  df-we 5616  df-xp 5667  df-rel 5668  df-cnv 5669  df-co 5670  df-dm 5671  df-rn 5672  df-res 5673  df-ima 5674  df-pred 6302  df-ord 6363  df-on 6364  df-lim 6365  df-suc 6366  df-iota 6492  df-fun 6538  df-fn 6539  df-f 6540  df-f1 6541  df-fo 6542  df-f1o 6543  df-fv 6544  df-isom 6545  df-riota 7367  df-ov 7413  df-oprab 7414  df-mpo 7415  df-of 7674  df-ofr 7675  df-rpss 7720  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-supp 8153  df-tpos 8218  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-2o 8450  df-oadd 8453  df-er 8690  df-ec 8692  df-qs 8696  df-map 8822  df-pm 8823  df-ixp 8892  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-fsupp 9318  df-sup 9398  df-inf 9399  df-oi 9468  df-r1 9732  df-rank 9733  df-dju 9883  df-card 9921  df-acn 9924  df-ac 10096  df-pnf 11240  df-mnf 11241  df-xr 11242  df-ltxr 11243  df-le 11244  df-sub 11438  df-neg 11439  df-nn 12229  df-2 12298  df-3 12299  df-4 12300  df-5 12301  df-6 12302  df-7 12303  df-8 12304  df-9 12305  df-n0 12500  df-xnn0 12573  df-z 12587  df-dec 12707  df-uz 12858  df-ico 13373  df-fz 13531  df-fzo 13679  df-seq 14034  df-hash 14363  df-struct 17202  df-sets 17219  df-slot 17237  df-ndx 17249  df-base 17265  df-ress 17286  df-plusg 17318  df-mulr 17319  df-starv 17320  df-sca 17321  df-vsca 17322  df-ip 17323  df-tset 17324  df-ple 17325  df-ocomp 17326  df-ds 17327  df-unif 17328  df-hom 17329  df-cco 17330  df-0g 17489  df-gsum 17490  df-prds 17495  df-pws 17497  df-imas 17557  df-qus 17558  df-mre 17633  df-mrc 17634  df-mri 17635  df-acs 17636  df-proset 18345  df-drs 18346  df-poset 18364  df-ipo 18579  df-mgm 18693  df-sgrp 18772  df-mnd 18788  df-mhm 18836  df-submnd 18837  df-grp 18998  df-minusg 18999  df-sbg 19000  df-mulg 19129  df-subg 19184  df-nsg 19185  df-eqg 19186  df-ghm 19279  df-gim 19324  df-cntz 19382  df-oppg 19411  df-lsm 19701  df-cmn 19847  df-abl 19848  df-mgp 20212  df-rng 20226  df-ur 20259  df-srg 20264  df-ring 20312  df-cring 20313  df-oppr 20415  df-dvdsr 20435  df-unit 20436  df-irred 20437  df-invr 20466  df-dvr 20479  df-rhm 20550  df-nzr 20610  df-subrng 20645  df-subrg 20669  df-rlreg 20793  df-domn 20794  df-idom 20795  df-drng 20829  df-field 20830  df-sdrg 20890  df-lmod 20983  df-lss 21053  df-lsp 21093  df-lmhm 21143  df-lmim 21144  df-lmic 21145  df-lbs 21196  df-lvec 21224  df-sra 21294  df-rgmod 21295  df-lidl 21332  df-rsp 21333  df-2idl 21389  df-lpidl 21490  df-lpir 21491  df-pid 21505  df-cnfld 21523  df-dsmm 21882  df-frlm 21897  df-uvc 21933  df-lindf 21956  df-linds 21957  df-assa 22003  df-asp 22004  df-ascl 22005  df-psr 22059  df-mvr 22060  df-mpl 22061  df-opsr 22063  df-evls 22225  df-evl 22226  df-psr1 22340  df-vr1 22341  df-ply1 22342  df-coe1 22343  df-evls1 22475  df-evl1 22476  df-mdeg 26212  df-deg1 26213  df-mon1 26288  df-uc1p 26289  df-q1p 26290  df-r1p 26291  df-ig1p 26292  df-fldgen 33632  df-mxidl 33743  df-dim 33990  df-fldext 34031  df-extdg 34032  df-irng 34074  df-minply 34090

This theorem is referenced by:  constrelextdg2  34137