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Theorem 4sqlem4 14028
Description: Lemma for 4sq 14040. We can express the four-square property more compactly in terms of gaussian integers, because the norms of gaussian integers are exactly sums of two squares. (Contributed by Mario Carneiro, 14-Jul-2014.)
Hypothesis
Ref Expression
4sq.1  |-  S  =  { n  |  E. x  e.  ZZ  E. y  e.  ZZ  E. z  e.  ZZ  E. w  e.  ZZ  n  =  ( ( ( x ^
2 )  +  ( y ^ 2 ) )  +  ( ( z ^ 2 )  +  ( w ^
2 ) ) ) }
Assertion
Ref Expression
4sqlem4  |-  ( A  e.  S  <->  E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  A  =  ( ( ( abs `  u ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v
) ^ 2 ) ) )
Distinct variable groups:    w, n, x, y, z    v, n, A, u    S, n, u, v    u, A
Allowed substitution hints:    A( x, y, z, w)    S( x, y, z, w)

Proof of Theorem 4sqlem4
Dummy variables  a 
b  c  d are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 4sq.1 . . . 4  |-  S  =  { n  |  E. x  e.  ZZ  E. y  e.  ZZ  E. z  e.  ZZ  E. w  e.  ZZ  n  =  ( ( ( x ^
2 )  +  ( y ^ 2 ) )  +  ( ( z ^ 2 )  +  ( w ^
2 ) ) ) }
214sqlem2 14025 . . 3  |-  ( A  e.  S  <->  E. a  e.  ZZ  E. b  e.  ZZ  E. c  e.  ZZ  E. d  e.  ZZ  A  =  ( ( ( a ^
2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^
2 ) ) ) )
3 gzreim 14015 . . . . . . . 8  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( a  +  ( _i  x.  b ) )  e.  ZZ[_i] )
43adantr 465 . . . . . . 7  |-  ( ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  /\  ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ ) )  -> 
( a  +  ( _i  x.  b ) )  e.  ZZ[_i] )
5 gzreim 14015 . . . . . . . 8  |-  ( ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ )  ->  ( c  +  ( _i  x.  d ) )  e.  ZZ[_i] )
65adantl 466 . . . . . . 7  |-  ( ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  /\  ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ ) )  -> 
( c  +  ( _i  x.  d ) )  e.  ZZ[_i] )
7 gzcn 14008 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( a  +  ( _i  x.  b ) )  e.  ZZ[_i]  ->  ( a  +  ( _i  x.  b ) )  e.  CC )
83, 7syl 16 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( a  +  ( _i  x.  b ) )  e.  CC )
98absvalsq2d 12944 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( ( abs `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  =  ( ( ( Re `  ( a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( Im `  ( a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 ) ) )
10 zre 10665 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( a  e.  ZZ  ->  a  e.  RR )
11 zre 10665 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( b  e.  ZZ  ->  b  e.  RR )
12 crre 12618 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( a  e.  RR  /\  b  e.  RR )  ->  ( Re `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) )  =  a )
1310, 11, 12syl2an 477 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( Re `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) )  =  a )
1413oveq1d 6121 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( ( Re `  ( a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  =  ( a ^ 2 ) )
15 crim 12619 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( a  e.  RR  /\  b  e.  RR )  ->  ( Im `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) )  =  b )
1610, 11, 15syl2an 477 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( Im `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) )  =  b )
1716oveq1d 6121 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( ( Im `  ( a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  =  ( b ^ 2 ) )
1814, 17oveq12d 6124 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( ( ( Re
`  ( a  +  ( _i  x.  b
) ) ) ^
2 )  +  ( ( Im `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 ) )  =  ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^
2 ) ) )
199, 18eqtrd 2475 . . . . . . . . 9  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( ( abs `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  =  ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^ 2 ) ) )
20 gzcn 14008 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( c  +  ( _i  x.  d ) )  e.  ZZ[_i]  ->  ( c  +  ( _i  x.  d ) )  e.  CC )
215, 20syl 16 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ )  ->  ( c  +  ( _i  x.  d ) )  e.  CC )
2221absvalsq2d 12944 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ )  ->  ( ( abs `  (
c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 )  =  ( ( ( Re `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( Im `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 ) ) )
23 zre 10665 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( c  e.  ZZ  ->  c  e.  RR )
24 zre 10665 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( d  e.  ZZ  ->  d  e.  RR )
25 crre 12618 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( c  e.  RR  /\  d  e.  RR )  ->  ( Re `  (
c  +  ( _i  x.  d ) ) )  =  c )
2623, 24, 25syl2an 477 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ )  ->  ( Re `  (
c  +  ( _i  x.  d ) ) )  =  c )
2726oveq1d 6121 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ )  ->  ( ( Re `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 )  =  ( c ^ 2 ) )
28 crim 12619 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( c  e.  RR  /\  d  e.  RR )  ->  ( Im `  (
c  +  ( _i  x.  d ) ) )  =  d )
2923, 24, 28syl2an 477 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ )  ->  ( Im `  (
c  +  ( _i  x.  d ) ) )  =  d )
3029oveq1d 6121 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ )  ->  ( ( Im `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 )  =  ( d ^ 2 ) )
3127, 30oveq12d 6124 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ )  ->  ( ( ( Re
`  ( c  +  ( _i  x.  d
) ) ) ^
2 )  +  ( ( Im `  (
c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 ) )  =  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^
2 ) ) )
3222, 31eqtrd 2475 . . . . . . . . 9  |-  ( ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ )  ->  ( ( abs `  (
c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 )  =  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )
3319, 32oveqan12d 6125 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  /\  ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ ) )  -> 
( ( ( abs `  ( a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 ) )  =  ( ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^
2 ) )  +  ( ( c ^
2 )  +  ( d ^ 2 ) ) ) )
3433eqcomd 2448 . . . . . . 7  |-  ( ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  /\  ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ ) )  -> 
( ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 ) ) )
35 fveq2 5706 . . . . . . . . . . 11  |-  ( u  =  ( a  +  ( _i  x.  b
) )  ->  ( abs `  u )  =  ( abs `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) ) )
3635oveq1d 6121 . . . . . . . . . 10  |-  ( u  =  ( a  +  ( _i  x.  b
) )  ->  (
( abs `  u
) ^ 2 )  =  ( ( abs `  ( a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 ) )
3736oveq1d 6121 . . . . . . . . 9  |-  ( u  =  ( a  +  ( _i  x.  b
) )  ->  (
( ( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  =  ( ( ( abs `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) ) )
3837eqeq2d 2454 . . . . . . . 8  |-  ( u  =  ( a  +  ( _i  x.  b
) )  ->  (
( ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  <->  ( (
( a ^ 2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  ( a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) ) ) )
39 fveq2 5706 . . . . . . . . . . 11  |-  ( v  =  ( c  +  ( _i  x.  d
) )  ->  ( abs `  v )  =  ( abs `  (
c  +  ( _i  x.  d ) ) ) )
4039oveq1d 6121 . . . . . . . . . 10  |-  ( v  =  ( c  +  ( _i  x.  d
) )  ->  (
( abs `  v
) ^ 2 )  =  ( ( abs `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 ) )
4140oveq2d 6122 . . . . . . . . 9  |-  ( v  =  ( c  +  ( _i  x.  d
) )  ->  (
( ( abs `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  =  ( ( ( abs `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 ) ) )
4241eqeq2d 2454 . . . . . . . 8  |-  ( v  =  ( c  +  ( _i  x.  d
) )  ->  (
( ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  (
a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  <->  ( (
( a ^ 2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  ( a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 ) ) ) )
4338, 42rspc2ev 3096 . . . . . . 7  |-  ( ( ( a  +  ( _i  x.  b ) )  e.  ZZ[_i]  /\  (
c  +  ( _i  x.  d ) )  e.  ZZ[_i]  /\  ( ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  ( a  +  ( _i  x.  b ) ) ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  ( c  +  ( _i  x.  d ) ) ) ^ 2 ) ) )  ->  E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  ( ( ( a ^
2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^
2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  u ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v
) ^ 2 ) ) )
444, 6, 34, 43syl3anc 1218 . . . . . 6  |-  ( ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  /\  ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ ) )  ->  E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  ( ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^
2 ) )  +  ( ( c ^
2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) ) )
45 eqeq1 2449 . . . . . . 7  |-  ( A  =  ( ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^
2 ) )  +  ( ( c ^
2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  ->  ( A  =  ( (
( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  <->  ( (
( a ^ 2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  u ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) ) ) )
46452rexbidv 2773 . . . . . 6  |-  ( A  =  ( ( ( a ^ 2 )  +  ( b ^
2 ) )  +  ( ( c ^
2 )  +  ( d ^ 2 ) ) )  ->  ( E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  A  =  ( ( ( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  <->  E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  ( ( ( a ^
2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^
2 ) ) )  =  ( ( ( abs `  u ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v
) ^ 2 ) ) ) )
4744, 46syl5ibrcom 222 . . . . 5  |-  ( ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  /\  ( c  e.  ZZ  /\  d  e.  ZZ ) )  -> 
( A  =  ( ( ( a ^
2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^
2 ) ) )  ->  E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  A  =  ( ( ( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) ) ) )
4847rexlimdvva 2863 . . . 4  |-  ( ( a  e.  ZZ  /\  b  e.  ZZ )  ->  ( E. c  e.  ZZ  E. d  e.  ZZ  A  =  ( ( ( a ^
2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^
2 ) ) )  ->  E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  A  =  ( ( ( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) ) ) )
4948rexlimivv 2861 . . 3  |-  ( E. a  e.  ZZ  E. b  e.  ZZ  E. c  e.  ZZ  E. d  e.  ZZ  A  =  ( ( ( a ^
2 )  +  ( b ^ 2 ) )  +  ( ( c ^ 2 )  +  ( d ^
2 ) ) )  ->  E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  A  =  ( ( ( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) ) )
502, 49sylbi 195 . 2  |-  ( A  e.  S  ->  E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  A  =  ( ( ( abs `  u ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v
) ^ 2 ) ) )
5114sqlem4a 14027 . . . 4  |-  ( ( u  e.  ZZ[_i]  /\  v  e.  ZZ[_i]
)  ->  ( (
( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  e.  S
)
52 eleq1a 2512 . . . 4  |-  ( ( ( ( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  e.  S  ->  ( A  =  ( ( ( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  ->  A  e.  S ) )
5351, 52syl 16 . . 3  |-  ( ( u  e.  ZZ[_i]  /\  v  e.  ZZ[_i]
)  ->  ( A  =  ( ( ( abs `  u ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v
) ^ 2 ) )  ->  A  e.  S ) )
5453rexlimivv 2861 . 2  |-  ( E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  A  =  ( (
( abs `  u
) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v ) ^ 2 ) )  ->  A  e.  S )
5550, 54impbii 188 1  |-  ( A  e.  S  <->  E. u  e.  ZZ[_i]  E. v  e.  ZZ[_i]  A  =  ( ( ( abs `  u ) ^ 2 )  +  ( ( abs `  v
) ^ 2 ) ) )
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:    -> wi 4    <-> wb 184    /\ wa 369    = wceq 1369    e. wcel 1756   {cab 2429   E.wrex 2731   ` cfv 5433  (class class class)co 6106   CCcc 9295   RRcr 9296   _ici 9299    + caddc 9300    x. cmul 9302   2c2 10386   ZZcz 10661   ^cexp 11880   Recre 12601   Imcim 12602   abscabs 12738   ZZ[_i]cgz 14005
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1591  ax-4 1602  ax-5 1670  ax-6 1708  ax-7 1728  ax-8 1758  ax-9 1760  ax-10 1775  ax-11 1780  ax-12 1792  ax-13 1943  ax-ext 2423  ax-sep 4428  ax-nul 4436  ax-pow 4485  ax-pr 4546  ax-un 6387  ax-cnex 9353  ax-resscn 9354  ax-1cn 9355  ax-icn 9356  ax-addcl 9357  ax-addrcl 9358  ax-mulcl 9359  ax-mulrcl 9360  ax-mulcom 9361  ax-addass 9362  ax-mulass 9363  ax-distr 9364  ax-i2m1 9365  ax-1ne0 9366  ax-1rid 9367  ax-rnegex 9368  ax-rrecex 9369  ax-cnre 9370  ax-pre-lttri 9371  ax-pre-lttrn 9372  ax-pre-ltadd 9373  ax-pre-mulgt0 9374  ax-pre-sup 9375
This theorem depends on definitions:  df-bi 185  df-or 370  df-an 371  df-3or 966  df-3an 967  df-tru 1372  df-ex 1587  df-nf 1590  df-sb 1701  df-eu 2257  df-mo 2258  df-clab 2430  df-cleq 2436  df-clel 2439  df-nfc 2577  df-ne 2622  df-nel 2623  df-ral 2735  df-rex 2736  df-reu 2737  df-rmo 2738  df-rab 2739  df-v 2989  df-sbc 3202  df-csb 3304  df-dif 3346  df-un 3348  df-in 3350  df-ss 3357  df-pss 3359  df-nul 3653  df-if 3807  df-pw 3877  df-sn 3893  df-pr 3895  df-tp 3897  df-op 3899  df-uni 4107  df-iun 4188  df-br 4308  df-opab 4366  df-mpt 4367  df-tr 4401  df-eprel 4647  df-id 4651  df-po 4656  df-so 4657  df-fr 4694  df-we 4696  df-ord 4737  df-on 4738  df-lim 4739  df-suc 4740  df-xp 4861  df-rel 4862  df-cnv 4863  df-co 4864  df-dm 4865  df-rn 4866  df-res 4867  df-ima 4868  df-iota 5396  df-fun 5435  df-fn 5436  df-f 5437  df-f1 5438  df-fo 5439  df-f1o 5440  df-fv 5441  df-riota 6067  df-ov 6109  df-oprab 6110  df-mpt2 6111  df-om 6492  df-2nd 6593  df-recs 6847  df-rdg 6881  df-er 7116  df-en 7326  df-dom 7327  df-sdom 7328  df-sup 7706  df-pnf 9435  df-mnf 9436  df-xr 9437  df-ltxr 9438  df-le 9439  df-sub 9612  df-neg 9613  df-div 10009  df-nn 10338  df-2 10395  df-3 10396  df-n0 10595  df-z 10662  df-uz 10877  df-rp 11007  df-seq 11822  df-exp 11881  df-cj 12603  df-re 12604  df-im 12605  df-sqr 12739  df-abs 12740  df-gz 14006
This theorem is referenced by:  mul4sq  14030
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