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Theorem 2sqlem10 23775
Description: Lemma for 2sq 23777. Every factor of a "proper" sum of two squares (where the summands are coprime) is a sum of two squares. (Contributed by Mario Carneiro, 19-Jun-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
2sq.1  |-  S  =  ran  ( w  e.  ZZ[_i]  |->  ( ( abs `  w
) ^ 2 ) )
2sqlem7.2  |-  Y  =  { z  |  E. x  e.  ZZ  E. y  e.  ZZ  ( ( x  gcd  y )  =  1  /\  z  =  ( ( x ^
2 )  +  ( y ^ 2 ) ) ) }
Assertion
Ref Expression
2sqlem10  |-  ( ( A  e.  Y  /\  B  e.  NN  /\  B  ||  A )  ->  B  e.  S )
Distinct variable groups:    x, w, y, z    x, A, y, z    x, B, y   
x, S, y, z   
x, Y, y
Allowed substitution hints:    A( w)    B( z, w)    S( w)    Y( z, w)

Proof of Theorem 2sqlem10
Dummy variables  a 
b  n  m are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 elfz1end 11740 . . . . 5  |-  ( B  e.  NN  <->  B  e.  ( 1 ... B
) )
21biimpi 194 . . . 4  |-  ( B  e.  NN  ->  B  e.  ( 1 ... B
) )
3 oveq2 6304 . . . . . 6  |-  ( m  =  1  ->  (
1 ... m )  =  ( 1 ... 1
) )
43raleqdv 3060 . . . . 5  |-  ( m  =  1  ->  ( A. b  e.  (
1 ... m ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  <->  A. b  e.  ( 1 ... 1
) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
) ) )
5 oveq2 6304 . . . . . 6  |-  ( m  =  n  ->  (
1 ... m )  =  ( 1 ... n
) )
65raleqdv 3060 . . . . 5  |-  ( m  =  n  ->  ( A. b  e.  (
1 ... m ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  <->  A. b  e.  ( 1 ... n
) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
) ) )
7 oveq2 6304 . . . . . 6  |-  ( m  =  ( n  + 
1 )  ->  (
1 ... m )  =  ( 1 ... (
n  +  1 ) ) )
87raleqdv 3060 . . . . 5  |-  ( m  =  ( n  + 
1 )  ->  ( A. b  e.  (
1 ... m ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  <->  A. b  e.  ( 1 ... (
n  +  1 ) ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
) ) )
9 oveq2 6304 . . . . . 6  |-  ( m  =  B  ->  (
1 ... m )  =  ( 1 ... B
) )
109raleqdv 3060 . . . . 5  |-  ( m  =  B  ->  ( A. b  e.  (
1 ... m ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  <->  A. b  e.  ( 1 ... B
) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
) ) )
11 elfz1eq 11722 . . . . . . . . 9  |-  ( b  e.  ( 1 ... 1 )  ->  b  =  1 )
12 1z 10915 . . . . . . . . . . . 12  |-  1  e.  ZZ
13 zgz 14463 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( 1  e.  ZZ  ->  1  e.  ZZ[_i]
)
1412, 13ax-mp 5 . . . . . . . . . . 11  |-  1  e.  ZZ[_i]
15 sq1 12265 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( 1 ^ 2 )  =  1
1615eqcomi 2470 . . . . . . . . . . 11  |-  1  =  ( 1 ^ 2 )
17 fveq2 5872 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( x  =  1  ->  ( abs `  x )  =  ( abs `  1
) )
18 abs1 13142 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( abs `  1 )  =  1
1917, 18syl6eq 2514 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( x  =  1  ->  ( abs `  x )  =  1 )
2019oveq1d 6311 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( x  =  1  ->  (
( abs `  x
) ^ 2 )  =  ( 1 ^ 2 ) )
2120eqeq2d 2471 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( x  =  1  ->  (
1  =  ( ( abs `  x ) ^ 2 )  <->  1  =  ( 1 ^ 2 ) ) )
2221rspcev 3210 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( 1  e.  ZZ[_i]  /\  1  =  ( 1 ^ 2 ) )  ->  E. x  e.  ZZ[_i]  1  =  ( ( abs `  x ) ^ 2 ) )
2314, 16, 22mp2an 672 . . . . . . . . . 10  |-  E. x  e.  ZZ[_i] 
1  =  ( ( abs `  x ) ^ 2 )
24 2sq.1 . . . . . . . . . . 11  |-  S  =  ran  ( w  e.  ZZ[_i]  |->  ( ( abs `  w
) ^ 2 ) )
25242sqlem1 23764 . . . . . . . . . 10  |-  ( 1  e.  S  <->  E. x  e.  ZZ[_i] 
1  =  ( ( abs `  x ) ^ 2 ) )
2623, 25mpbir 209 . . . . . . . . 9  |-  1  e.  S
2711, 26syl6eqel 2553 . . . . . . . 8  |-  ( b  e.  ( 1 ... 1 )  ->  b  e.  S )
2827a1d 25 . . . . . . 7  |-  ( b  e.  ( 1 ... 1 )  ->  (
b  ||  a  ->  b  e.  S ) )
2928ralrimivw 2872 . . . . . 6  |-  ( b  e.  ( 1 ... 1 )  ->  A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )
3029rgen 2817 . . . . 5  |-  A. b  e.  ( 1 ... 1
) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
)
31 2sqlem7.2 . . . . . . . . . . . . 13  |-  Y  =  { z  |  E. x  e.  ZZ  E. y  e.  ZZ  ( ( x  gcd  y )  =  1  /\  z  =  ( ( x ^
2 )  +  ( y ^ 2 ) ) ) }
32 simplr 755 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )
33 nncn 10564 . . . . . . . . . . . . . . . . . 18  |-  ( n  e.  NN  ->  n  e.  CC )
3433ad2antrr 725 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  n  e.  CC )
35 ax-1cn 9567 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  1  e.  CC
36 pncan 9845 . . . . . . . . . . . . . . . . 17  |-  ( ( n  e.  CC  /\  1  e.  CC )  ->  ( ( n  + 
1 )  -  1 )  =  n )
3734, 35, 36sylancl 662 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  ( ( n  +  1 )  - 
1 )  =  n )
3837oveq2d 6312 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  ( 1 ... ( ( n  + 
1 )  -  1 ) )  =  ( 1 ... n ) )
3938raleqdv 3060 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  ( A. b  e.  ( 1 ... (
( n  +  1 )  -  1 ) ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
)  <->  A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) ) )
4032, 39mpbird 232 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  A. b  e.  ( 1 ... ( ( n  +  1 )  -  1 ) ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )
41 simprr 757 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  ( n  + 
1 )  ||  m
)
42 peano2nn 10568 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( n  e.  NN  ->  (
n  +  1 )  e.  NN )
4342ad2antrr 725 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  ( n  + 
1 )  e.  NN )
44 simprl 756 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  m  e.  Y
)
4524, 31, 40, 41, 43, 442sqlem9 23774 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  ( m  e.  Y  /\  (
n  +  1 ) 
||  m ) )  ->  ( n  + 
1 )  e.  S
)
4645expr 615 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( n  e.  NN  /\ 
A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  /\  m  e.  Y )  ->  (
( n  +  1 )  ||  m  -> 
( n  +  1 )  e.  S ) )
4746ralrimiva 2871 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( n  e.  NN  /\  A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S ) )  ->  A. m  e.  Y  ( ( n  + 
1 )  ||  m  ->  ( n  +  1 )  e.  S ) )
4847ex 434 . . . . . . . . 9  |-  ( n  e.  NN  ->  ( A. b  e.  (
1 ... n ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  ->  A. m  e.  Y  ( ( n  + 
1 )  ||  m  ->  ( n  +  1 )  e.  S ) ) )
49 breq2 4460 . . . . . . . . . . 11  |-  ( a  =  m  ->  (
( n  +  1 )  ||  a  <->  ( n  +  1 )  ||  m ) )
5049imbi1d 317 . . . . . . . . . 10  |-  ( a  =  m  ->  (
( ( n  + 
1 )  ||  a  ->  ( n  +  1 )  e.  S )  <-> 
( ( n  + 
1 )  ||  m  ->  ( n  +  1 )  e.  S ) ) )
5150cbvralv 3084 . . . . . . . . 9  |-  ( A. a  e.  Y  (
( n  +  1 )  ||  a  -> 
( n  +  1 )  e.  S )  <->  A. m  e.  Y  ( ( n  + 
1 )  ||  m  ->  ( n  +  1 )  e.  S ) )
5248, 51syl6ibr 227 . . . . . . . 8  |-  ( n  e.  NN  ->  ( A. b  e.  (
1 ... n ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  ->  A. a  e.  Y  ( ( n  + 
1 )  ||  a  ->  ( n  +  1 )  e.  S ) ) )
53 ovex 6324 . . . . . . . . 9  |-  ( n  +  1 )  e. 
_V
54 breq1 4459 . . . . . . . . . . 11  |-  ( b  =  ( n  + 
1 )  ->  (
b  ||  a  <->  ( n  +  1 )  ||  a ) )
55 eleq1 2529 . . . . . . . . . . 11  |-  ( b  =  ( n  + 
1 )  ->  (
b  e.  S  <->  ( n  +  1 )  e.  S ) )
5654, 55imbi12d 320 . . . . . . . . . 10  |-  ( b  =  ( n  + 
1 )  ->  (
( b  ||  a  ->  b  e.  S )  <-> 
( ( n  + 
1 )  ||  a  ->  ( n  +  1 )  e.  S ) ) )
5756ralbidv 2896 . . . . . . . . 9  |-  ( b  =  ( n  + 
1 )  ->  ( A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S )  <->  A. a  e.  Y  ( ( n  + 
1 )  ||  a  ->  ( n  +  1 )  e.  S ) ) )
5853, 57ralsn 4071 . . . . . . . 8  |-  ( A. b  e.  { (
n  +  1 ) } A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
)  <->  A. a  e.  Y  ( ( n  + 
1 )  ||  a  ->  ( n  +  1 )  e.  S ) )
5952, 58syl6ibr 227 . . . . . . 7  |-  ( n  e.  NN  ->  ( A. b  e.  (
1 ... n ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  ->  A. b  e.  { ( n  +  1 ) } A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
) ) )
6059ancld 553 . . . . . 6  |-  ( n  e.  NN  ->  ( A. b  e.  (
1 ... n ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  -> 
( A. b  e.  ( 1 ... n
) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
)  /\  A. b  e.  { ( n  + 
1 ) } A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S ) ) ) )
61 elnnuz 11142 . . . . . . . . 9  |-  ( n  e.  NN  <->  n  e.  ( ZZ>= `  1 )
)
62 fzsuc 11753 . . . . . . . . 9  |-  ( n  e.  ( ZZ>= `  1
)  ->  ( 1 ... ( n  + 
1 ) )  =  ( ( 1 ... n )  u.  {
( n  +  1 ) } ) )
6361, 62sylbi 195 . . . . . . . 8  |-  ( n  e.  NN  ->  (
1 ... ( n  + 
1 ) )  =  ( ( 1 ... n )  u.  {
( n  +  1 ) } ) )
6463raleqdv 3060 . . . . . . 7  |-  ( n  e.  NN  ->  ( A. b  e.  (
1 ... ( n  + 
1 ) ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  <->  A. b  e.  ( ( 1 ... n )  u.  {
( n  +  1 ) } ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S ) ) )
65 ralunb 3681 . . . . . . 7  |-  ( A. b  e.  ( (
1 ... n )  u. 
{ ( n  + 
1 ) } ) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S )  <-> 
( A. b  e.  ( 1 ... n
) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
)  /\  A. b  e.  { ( n  + 
1 ) } A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S ) ) )
6664, 65syl6bb 261 . . . . . 6  |-  ( n  e.  NN  ->  ( A. b  e.  (
1 ... ( n  + 
1 ) ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  <->  ( A. b  e.  ( 1 ... n ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  /\  A. b  e.  { ( n  +  1 ) } A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
) ) ) )
6760, 66sylibrd 234 . . . . 5  |-  ( n  e.  NN  ->  ( A. b  e.  (
1 ... n ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  ->  A. b  e.  (
1 ... ( n  + 
1 ) ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S ) ) )
684, 6, 8, 10, 30, 67nnind 10574 . . . 4  |-  ( B  e.  NN  ->  A. b  e.  ( 1 ... B
) A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S
) )
69 breq1 4459 . . . . . . 7  |-  ( b  =  B  ->  (
b  ||  a  <->  B  ||  a
) )
70 eleq1 2529 . . . . . . 7  |-  ( b  =  B  ->  (
b  e.  S  <->  B  e.  S ) )
7169, 70imbi12d 320 . . . . . 6  |-  ( b  =  B  ->  (
( b  ||  a  ->  b  e.  S )  <-> 
( B  ||  a  ->  B  e.  S ) ) )
7271ralbidv 2896 . . . . 5  |-  ( b  =  B  ->  ( A. a  e.  Y  ( b  ||  a  ->  b  e.  S )  <->  A. a  e.  Y  ( B  ||  a  ->  B  e.  S )
) )
7372rspcv 3206 . . . 4  |-  ( B  e.  ( 1 ... B )  ->  ( A. b  e.  (
1 ... B ) A. a  e.  Y  (
b  ||  a  ->  b  e.  S )  ->  A. a  e.  Y  ( B  ||  a  ->  B  e.  S )
) )
742, 68, 73sylc 60 . . 3  |-  ( B  e.  NN  ->  A. a  e.  Y  ( B  ||  a  ->  B  e.  S ) )
75 breq2 4460 . . . . 5  |-  ( a  =  A  ->  ( B  ||  a  <->  B  ||  A
) )
7675imbi1d 317 . . . 4  |-  ( a  =  A  ->  (
( B  ||  a  ->  B  e.  S )  <-> 
( B  ||  A  ->  B  e.  S ) ) )
7776rspcv 3206 . . 3  |-  ( A  e.  Y  ->  ( A. a  e.  Y  ( B  ||  a  ->  B  e.  S )  ->  ( B  ||  A  ->  B  e.  S ) ) )
7874, 77syl5 32 . 2  |-  ( A  e.  Y  ->  ( B  e.  NN  ->  ( B  ||  A  ->  B  e.  S )
) )
79783imp 1190 1  |-  ( ( A  e.  Y  /\  B  e.  NN  /\  B  ||  A )  ->  B  e.  S )
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:    -> wi 4    /\ wa 369    /\ w3a 973    = wceq 1395    e. wcel 1819   {cab 2442   A.wral 2807   E.wrex 2808    u. cun 3469   {csn 4032   class class class wbr 4456    |-> cmpt 4515   ran crn 5009   ` cfv 5594  (class class class)co 6296   CCcc 9507   1c1 9510    + caddc 9512    - cmin 9824   NNcn 10556   2c2 10606   ZZcz 10885   ZZ>=cuz 11106   ...cfz 11697   ^cexp 12169   abscabs 13079    || cdvds 13998    gcd cgcd 14156   ZZ[_i]cgz 14459
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1619  ax-4 1632  ax-5 1705  ax-6 1748  ax-7 1791  ax-8 1821  ax-9 1823  ax-10 1838  ax-11 1843  ax-12 1855  ax-13 2000  ax-ext 2435  ax-sep 4578  ax-nul 4586  ax-pow 4634  ax-pr 4695  ax-un 6591  ax-cnex 9565  ax-resscn 9566  ax-1cn 9567  ax-icn 9568  ax-addcl 9569  ax-addrcl 9570  ax-mulcl 9571  ax-mulrcl 9572  ax-mulcom 9573  ax-addass 9574  ax-mulass 9575  ax-distr 9576  ax-i2m1 9577  ax-1ne0 9578  ax-1rid 9579  ax-rnegex 9580  ax-rrecex 9581  ax-cnre 9582  ax-pre-lttri 9583  ax-pre-lttrn 9584  ax-pre-ltadd 9585  ax-pre-mulgt0 9586  ax-pre-sup 9587
This theorem depends on definitions:  df-bi 185  df-or 370  df-an 371  df-3or 974  df-3an 975  df-tru 1398  df-ex 1614  df-nf 1618  df-sb 1741  df-eu 2287  df-mo 2288  df-clab 2443  df-cleq 2449  df-clel 2452  df-nfc 2607  df-ne 2654  df-nel 2655  df-ral 2812  df-rex 2813  df-reu 2814  df-rmo 2815  df-rab 2816  df-v 3111  df-sbc 3328  df-csb 3431  df-dif 3474  df-un 3476  df-in 3478  df-ss 3485  df-pss 3487  df-nul 3794  df-if 3945  df-pw 4017  df-sn 4033  df-pr 4035  df-tp 4037  df-op 4039  df-uni 4252  df-int 4289  df-iun 4334  df-br 4457  df-opab 4516  df-mpt 4517  df-tr 4551  df-eprel 4800  df-id 4804  df-po 4809  df-so 4810  df-fr 4847  df-we 4849  df-ord 4890  df-on 4891  df-lim 4892  df-suc 4893  df-xp 5014  df-rel 5015  df-cnv 5016  df-co 5017  df-dm 5018  df-rn 5019  df-res 5020  df-ima 5021  df-iota 5557  df-fun 5596  df-fn 5597  df-f 5598  df-f1 5599  df-fo 5600  df-f1o 5601  df-fv 5602  df-riota 6258  df-ov 6299  df-oprab 6300  df-mpt2 6301  df-om 6700  df-1st 6799  df-2nd 6800  df-recs 7060  df-rdg 7094  df-1o 7148  df-2o 7149  df-oadd 7152  df-er 7329  df-en 7536  df-dom 7537  df-sdom 7538  df-fin 7539  df-sup 7919  df-pnf 9647  df-mnf 9648  df-xr 9649  df-ltxr 9650  df-le 9651  df-sub 9826  df-neg 9827  df-div 10228  df-nn 10557  df-2 10615  df-3 10616  df-n0 10817  df-z 10886  df-uz 11107  df-rp 11246  df-fz 11698  df-fl 11932  df-mod 12000  df-seq 12111  df-exp 12170  df-cj 12944  df-re 12945  df-im 12946  df-sqrt 13080  df-abs 13081  df-dvds 13999  df-gcd 14157  df-prm 14230  df-gz 14460
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