Theorem wilth 27114

Description: Wilson's theorem. A number is prime iff it is greater than or equal to 2 and (𝑁 − 1)! is congruent to -1, mod 𝑁, or alternatively if 𝑁 divides (𝑁 − 1)! + 1. In this part of the proof we show the relatively simple reverse implication; see wilthlem3 27113 for the forward implication. This is Metamath 100 proof #51. (Contributed by Mario Carneiro, 24-Jan-2015.) (Proof shortened by Fan Zheng, 16-Jun-2016.)

Assertion

Ref	Expression
wilth	⊢ (𝑁 ∈ ℙ ↔ (𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)))

Proof of Theorem wilth

Dummy variables 𝑥 𝑛 𝑦 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		prmuz2 16733	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℙ → 𝑁 ∈ (ℤ≥‘2))
2		eqid 2737	. . . 4 ⊢ (mulGrp‘ℂfld) = (mulGrp‘ℂfld)
3		eleq2w 2825	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 = 𝑥 → ((𝑁 − 1) ∈ 𝑧 ↔ (𝑁 − 1) ∈ 𝑥))
4		oveq1 7438	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑛 = 𝑦 → (𝑛↑(𝑁 − 2)) = (𝑦↑(𝑁 − 2)))
5	4	oveq1d 7446	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 = 𝑦 → ((𝑛↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) = ((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁))
6	5	eleq1d 2826	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 = 𝑦 → (((𝑛↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑧 ↔ ((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑧))
7	6	cbvralvw 3237	. . . . . . 7 ⊢ (∀𝑛 ∈ 𝑧 ((𝑛↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑧 ↔ ∀𝑦 ∈ 𝑧 ((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑧)
8		eleq2w 2825	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑧 = 𝑥 → (((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑧 ↔ ((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑥))
9	8	raleqbi1dv 3338	. . . . . . 7 ⊢ (𝑧 = 𝑥 → (∀𝑦 ∈ 𝑧 ((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑧 ↔ ∀𝑦 ∈ 𝑥 ((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑥))
10	7, 9	bitrid 283	. . . . . 6 ⊢ (𝑧 = 𝑥 → (∀𝑛 ∈ 𝑧 ((𝑛↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑧 ↔ ∀𝑦 ∈ 𝑥 ((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑥))
11	3, 10	anbi12d 632	. . . . 5 ⊢ (𝑧 = 𝑥 → (((𝑁 − 1) ∈ 𝑧 ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑧 ((𝑛↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑧) ↔ ((𝑁 − 1) ∈ 𝑥 ∧ ∀𝑦 ∈ 𝑥 ((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑥)))
12	11	cbvrabv 3447	. . . 4 ⊢ {𝑧 ∈ 𝒫 (1...(𝑁 − 1)) ∣ ((𝑁 − 1) ∈ 𝑧 ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑧 ((𝑛↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑧)} = {𝑥 ∈ 𝒫 (1...(𝑁 − 1)) ∣ ((𝑁 − 1) ∈ 𝑥 ∧ ∀𝑦 ∈ 𝑥 ((𝑦↑(𝑁 − 2)) mod 𝑁) ∈ 𝑥)}
13	2, 12	wilthlem3 27113	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℙ → 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1))
14	1, 13	jca 511	. 2 ⊢ (𝑁 ∈ ℙ → (𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)))
15		simpl 482	. . 3 ⊢ ((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) → 𝑁 ∈ (ℤ≥‘2))
16		elfzuz 13560	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1)) → 𝑛 ∈ (ℤ≥‘2))
17	16	adantl 481	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → 𝑛 ∈ (ℤ≥‘2))
18		eluz2nn 12924	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ (ℤ≥‘2) → 𝑛 ∈ ℕ)
19	17, 18	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → 𝑛 ∈ ℕ)
20		elfzuz3 13561	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1)) → (𝑁 − 1) ∈ (ℤ≥‘𝑛))
21	20	adantl 481	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → (𝑁 − 1) ∈ (ℤ≥‘𝑛))
22		dvdsfac 16363	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑛 ∈ ℕ ∧ (𝑁 − 1) ∈ (ℤ≥‘𝑛)) → 𝑛 ∥ (!‘(𝑁 − 1)))
23	19, 21, 22	syl2anc 584	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → 𝑛 ∥ (!‘(𝑁 − 1)))
24		eluz2nn 12924	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) → 𝑁 ∈ ℕ)
25	24	ad2antrr 726	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → 𝑁 ∈ ℕ)
26		nnm1nn0 12567	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑁 ∈ ℕ → (𝑁 − 1) ∈ ℕ0)
27		faccl 14322	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑁 − 1) ∈ ℕ0 → (!‘(𝑁 − 1)) ∈ ℕ)
28	25, 26, 27	3syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → (!‘(𝑁 − 1)) ∈ ℕ)
29	28	nnzd 12640	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → (!‘(𝑁 − 1)) ∈ ℤ)
30		eluz2gt1 12962	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑛 ∈ (ℤ≥‘2) → 1 < 𝑛)
31	17, 30	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → 1 < 𝑛)
32		ndvdsp1 16448	. . . . . . 7 ⊢ (((!‘(𝑁 − 1)) ∈ ℤ ∧ 𝑛 ∈ ℕ ∧ 1 < 𝑛) → (𝑛 ∥ (!‘(𝑁 − 1)) → ¬ 𝑛 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)))
33	29, 19, 31, 32	syl3anc 1373	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → (𝑛 ∥ (!‘(𝑁 − 1)) → ¬ 𝑛 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)))
34	23, 33	mpd 15	. . . . 5 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → ¬ 𝑛 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1))
35		simplr 769	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1))
36	19	nnzd 12640	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → 𝑛 ∈ ℤ)
37	25	nnzd 12640	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → 𝑁 ∈ ℤ)
38	29	peano2zd 12725	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → ((!‘(𝑁 − 1)) + 1) ∈ ℤ)
39		dvdstr 16331	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑛 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℤ ∧ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1) ∈ ℤ) → ((𝑛 ∥ 𝑁 ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) → 𝑛 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)))
40	36, 37, 38, 39	syl3anc 1373	. . . . . 6 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → ((𝑛 ∥ 𝑁 ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) → 𝑛 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)))
41	35, 40	mpan2d 694	. . . . 5 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → (𝑛 ∥ 𝑁 → 𝑛 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)))
42	34, 41	mtod 198	. . . 4 ⊢ (((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) ∧ 𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1))) → ¬ 𝑛 ∥ 𝑁)
43	42	ralrimiva 3146	. . 3 ⊢ ((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) → ∀𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1)) ¬ 𝑛 ∥ 𝑁)
44		isprm3 16720	. . 3 ⊢ (𝑁 ∈ ℙ ↔ (𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ ∀𝑛 ∈ (2...(𝑁 − 1)) ¬ 𝑛 ∥ 𝑁))
45	15, 43, 44	sylanbrc 583	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)) → 𝑁 ∈ ℙ)
46	14, 45	impbii 209	1 ⊢ (𝑁 ∈ ℙ ↔ (𝑁 ∈ (ℤ≥‘2) ∧ 𝑁 ∥ ((!‘(𝑁 − 1)) + 1)))

Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ↔ wb 206   ∧ wa 395   ∈ wcel 2108  ∀wral 3061  {crab 3436  𝒫 cpw 4600   class class class wbr 5143  ‘cfv 6561  (class class class)co 7431  1c1 11156   + caddc 11158   < clt 11295   − cmin 11492  ℕcn 12266  2c2 12321  ℕ₀cn0 12526  ℤcz 12613  ℤ_≥cuz 12878  ...cfz 13547   mod cmo 13909  ↑cexp 14102  !cfa 14312   ∥ cdvds 16290  ℙcprime 16708  mulGrpcmgp 20137  ℂ_fldccnfld 21364

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1795  ax-4 1809  ax-5 1910  ax-6 1967  ax-7 2007  ax-8 2110  ax-9 2118  ax-10 2141  ax-11 2157  ax-12 2177  ax-ext 2708  ax-rep 5279  ax-sep 5296  ax-nul 5306  ax-pow 5365  ax-pr 5432  ax-un 7755  ax-cnex 11211  ax-resscn 11212  ax-1cn 11213  ax-icn 11214  ax-addcl 11215  ax-addrcl 11216  ax-mulcl 11217  ax-mulrcl 11218  ax-mulcom 11219  ax-addass 11220  ax-mulass 11221  ax-distr 11222  ax-i2m1 11223  ax-1ne0 11224  ax-1rid 11225  ax-rnegex 11226  ax-rrecex 11227  ax-cnre 11228  ax-pre-lttri 11229  ax-pre-lttrn 11230  ax-pre-ltadd 11231  ax-pre-mulgt0 11232  ax-pre-sup 11233  ax-addf 11234  ax-mulf 11235

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 849  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2065  df-mo 2540  df-eu 2569  df-clab 2715  df-cleq 2729  df-clel 2816  df-nfc 2892  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3062  df-rex 3071  df-rmo 3380  df-reu 3381  df-rab 3437  df-v 3482  df-sbc 3789  df-csb 3900  df-dif 3954  df-un 3956  df-in 3958  df-ss 3968  df-pss 3971  df-nul 4334  df-if 4526  df-pw 4602  df-sn 4627  df-pr 4629  df-tp 4631  df-op 4633  df-uni 4908  df-int 4947  df-iun 4993  df-iin 4994  df-br 5144  df-opab 5206  df-mpt 5226  df-tr 5260  df-id 5578  df-eprel 5584  df-po 5592  df-so 5593  df-fr 5637  df-se 5638  df-we 5639  df-xp 5691  df-rel 5692  df-cnv 5693  df-co 5694  df-dm 5695  df-rn 5696  df-res 5697  df-ima 5698  df-pred 6321  df-ord 6387  df-on 6388  df-lim 6389  df-suc 6390  df-iota 6514  df-fun 6563  df-fn 6564  df-f 6565  df-f1 6566  df-fo 6567  df-f1o 6568  df-fv 6569  df-isom 6570  df-riota 7388  df-ov 7434  df-oprab 7435  df-mpo 7436  df-of 7697  df-om 7888  df-1st 8014  df-2nd 8015  df-supp 8186  df-frecs 8306  df-wrecs 8337  df-recs 8411  df-rdg 8450  df-1o 8506  df-2o 8507  df-oadd 8510  df-er 8745  df-en 8986  df-dom 8987  df-sdom 8988  df-fin 8989  df-fsupp 9402  df-sup 9482  df-inf 9483  df-oi 9550  df-dju 9941  df-card 9979  df-pnf 11297  df-mnf 11298  df-xr 11299  df-ltxr 11300  df-le 11301  df-sub 11494  df-neg 11495  df-div 11921  df-nn 12267  df-2 12329  df-3 12330  df-4 12331  df-5 12332  df-6 12333  df-7 12334  df-8 12335  df-9 12336  df-n0 12527  df-xnn0 12600  df-z 12614  df-dec 12734  df-uz 12879  df-rp 13035  df-fz 13548  df-fzo 13695  df-fl 13832  df-mod 13910  df-seq 14043  df-exp 14103  df-fac 14313  df-hash 14370  df-cj 15138  df-re 15139  df-im 15140  df-sqrt 15274  df-abs 15275  df-dvds 16291  df-gcd 16532  df-prm 16709  df-phi 16803  df-struct 17184  df-sets 17201  df-slot 17219  df-ndx 17231  df-base 17248  df-ress 17275  df-plusg 17310  df-mulr 17311  df-starv 17312  df-tset 17316  df-ple 17317  df-ds 17319  df-unif 17320  df-0g 17486  df-gsum 17487  df-mre 17629  df-mrc 17630  df-acs 17632  df-mgm 18653  df-sgrp 18732  df-mnd 18748  df-submnd 18797  df-grp 18954  df-minusg 18955  df-mulg 19086  df-subg 19141  df-cntz 19335  df-cmn 19800  df-abl 19801  df-mgp 20138  df-rng 20150  df-ur 20179  df-ring 20232  df-cring 20233  df-subrng 20546  df-subrg 20570  df-cnfld 21365

This theorem is referenced by:  wilthimp  27115