proththd - Mathbox for Alexander van der Vekens

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Theorem proththd 40069

Description: Proth's theorem (1878). If P is a Proth number, i.e. a number of the form k2^n+1 with k less than 2^n, and if there exists an integer x for which x^((P-1)/2) is -1 modulo P, then P is prime. Such a prime is called a Proth prime. Like Pocklington's theorem (see pockthg 15448), Proth's theorem allows for a convenient method for verifying large primes. (Contributed by AV, 5-Jul-2020.)

**Hypotheses**
Ref	Expression
proththd.n	⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
proththd.k	⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ ℕ)
proththd.p	⊢ (𝜑 → 𝑃 = ((𝐾 · (2↑𝑁)) + 1))
proththd.l	⊢ (𝜑 → 𝐾 < (2↑𝑁))
proththd.x	⊢ (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℤ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃))

**Assertion**
Ref	Expression
proththd	⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℙ)

Distinct variable groups: 𝑥,𝑁 𝑥,𝑃 𝜑,𝑥 Allowed substitution hint: 𝐾(𝑥)

Proof of Theorem proththd Dummy variable 𝑝 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		2nn 11062	. . . 4 ⊢ 2 ∈ ℕ
2	1	a1i 11	. . 3 ⊢ (𝜑 → 2 ∈ ℕ)
3		proththd.n	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ)
4	3	nnnn0d 11228	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ₀)
5	2, 4	nnexpcld 12892	. 2 ⊢ (𝜑 → (2↑𝑁) ∈ ℕ)
6		proththd.k	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ ℕ)
7		proththd.l	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐾 < (2↑𝑁))
8		proththd.p	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑃 = ((𝐾 · (2↑𝑁)) + 1))
9	6	nncnd 10913	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ ℂ)
10	5	nncnd 10913	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (2↑𝑁) ∈ ℂ)
11	9, 10	mulcomd 9940	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐾 · (2↑𝑁)) = ((2↑𝑁) · 𝐾))
12	11	oveq1d 6564	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((𝐾 · (2↑𝑁)) + 1) = (((2↑𝑁) · 𝐾) + 1))
13	8, 12	eqtrd 2644	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝑃 = (((2↑𝑁) · 𝐾) + 1))
14		simpr 476	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → 𝑝 ∈ ℙ)
15		2prm 15243	. . . . . 6 ⊢ 2 ∈ ℙ
16	15	a1i 11	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → 2 ∈ ℙ)
17	3	adantr 480	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → 𝑁 ∈ ℕ)
18		prmdvdsexpb 15266	. . . . 5 ⊢ ((𝑝 ∈ ℙ ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 𝑁 ∈ ℕ) → (𝑝 ∥ (2↑𝑁) ↔ 𝑝 = 2))
19	14, 16, 17, 18	syl3anc 1318	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (𝑝 ∥ (2↑𝑁) ↔ 𝑝 = 2))
20		proththd.x	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ∃𝑥 ∈ ℤ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃))
21	3, 6, 8	proththdlem 40068	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝜑 → (𝑃 ∈ ℕ ∧ 1 < 𝑃 ∧ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ))
22	21	simp1d 1066	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℕ)
23	22	nncnd 10913	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℂ)
24		peano2cnm 10226	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑃 ∈ ℂ → (𝑃 − 1) ∈ ℂ)
25	23, 24	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝜑 → (𝑃 − 1) ∈ ℂ)
26	25	adantr 480	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑃 − 1) ∈ ℂ)
27		2cnd 10970	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → 2 ∈ ℂ)
28		2ne0 10990	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ 2 ≠ 0
29	28	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → 2 ≠ 0)
30	26, 27, 29	divcan1d 10681	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (((𝑃 − 1) / 2) · 2) = (𝑃 − 1))
31	30	eqcomd 2616	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑃 − 1) = (((𝑃 − 1) / 2) · 2))
32	31	oveq2d 6565	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥↑(𝑃 − 1)) = (𝑥↑(((𝑃 − 1) / 2) · 2)))
33		zcn 11259	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑥 ∈ ℤ → 𝑥 ∈ ℂ)
34	33	adantl 481	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → 𝑥 ∈ ℂ)
35		2nn0 11186	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ 2 ∈ ℕ₀
36	35	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → 2 ∈ ℕ₀)
37	21	simp3d 1068	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝜑 → ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ)
38	37	nnnn0d 11228	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝜑 → ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ₀)
39	38	adantr 480	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ₀)
40	34, 36, 39	expmuld 12873	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥↑(((𝑃 − 1) / 2) · 2)) = ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2))↑2))
41	32, 40	eqtrd 2644	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥↑(𝑃 − 1)) = ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2))↑2))
42	41	ad4ant13 1284	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → (𝑥↑(𝑃 − 1)) = ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2))↑2))
43	42	oveq1d 6564	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → ((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2))↑2) mod 𝑃))
44	38	adantr 480	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) → ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ₀)
45	44	anim1i 590	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ₀ ∧ 𝑥 ∈ ℤ))
46	45	ancomd 466	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥 ∈ ℤ ∧ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ₀))
47		zexpcl 12737	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑥 ∈ ℤ ∧ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ₀) → (𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) ∈ ℤ)
48	46, 47	syl 17	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) ∈ ℤ)
49	48	adantr 480	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → (𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) ∈ ℤ)
50	22	nnrpd 11746	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℝ⁺)
51	50	ad3antrrr 762	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → 𝑃 ∈ ℝ⁺)
52	21	simp2d 1067	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → 1 < 𝑃)
53	52	ad3antrrr 762	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → 1 < 𝑃)
54		simpr 476	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃))
55	49, 51, 53, 54	modexp2m1d 40067	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2))↑2) mod 𝑃) = 1)
56	43, 55	eqtrd 2644	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → ((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = 1)
57		oveq2 6557	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝑝 = 2 → ((𝑃 − 1) / 𝑝) = ((𝑃 − 1) / 2))
58	57	eleq1d 2672	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑝 = 2 → (((𝑃 − 1) / 𝑝) ∈ ℕ₀ ↔ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ₀))
59	58	adantl 481	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) → (((𝑃 − 1) / 𝑝) ∈ ℕ₀ ↔ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ₀))
60	44, 59	mpbird 246	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) → ((𝑃 − 1) / 𝑝) ∈ ℕ₀)
61	60	anim2i 591	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑥 ∈ ℤ ∧ (𝜑 ∧ 𝑝 = 2)) → (𝑥 ∈ ℤ ∧ ((𝑃 − 1) / 𝑝) ∈ ℕ₀))
62	61	ancoms 468	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥 ∈ ℤ ∧ ((𝑃 − 1) / 𝑝) ∈ ℕ₀))
63		zexpcl 12737	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑥 ∈ ℤ ∧ ((𝑃 − 1) / 𝑝) ∈ ℕ₀) → (𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) ∈ ℤ)
64	62, 63	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) ∈ ℤ)
65	64	zred 11358	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) ∈ ℝ)
66	65	adantr 480	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → (𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) ∈ ℝ)
67		1red 9934	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → 1 ∈ ℝ)
68	67	renegcld 10336	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → -1 ∈ ℝ)
69		oveq2 6557	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (2 = 𝑝 → ((𝑃 − 1) / 2) = ((𝑃 − 1) / 𝑝))
70	69	eqcoms 2618	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑝 = 2 → ((𝑃 − 1) / 2) = ((𝑃 − 1) / 𝑝))
71	70	oveq2d 6565	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (𝑝 = 2 → (𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) = (𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)))
72	71	oveq1d 6564	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (𝑝 = 2 → ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) mod 𝑃))
73	72	eqeq1d 2612	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝑝 = 2 → (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃) ↔ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)))
74	73	adantl 481	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) → (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃) ↔ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)))
75	74	adantr 480	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃) ↔ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)))
76	75	biimpa 500	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃))
77		eqidd 2611	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → (1 mod 𝑃) = (1 mod 𝑃))
78	66, 68, 67, 67, 51, 76, 77	modsub12d 12589	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) mod 𝑃) = ((-1 − 1) mod 𝑃))
79	78	oveq1d 6564	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → ((((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) mod 𝑃) gcd 𝑃) = (((-1 − 1) mod 𝑃) gcd 𝑃))
80		peano2zm 11297	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) ∈ ℤ → ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) ∈ ℤ)
81	64, 80	syl 17	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) ∈ ℤ)
82	22	ad2antrr 758	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → 𝑃 ∈ ℕ)
83		modgcd 15091	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℕ) → ((((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) mod 𝑃) gcd 𝑃) = (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃))
84	81, 82, 83	syl2anc 691	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → ((((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) mod 𝑃) gcd 𝑃) = (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃))
85	84	adantr 480	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → ((((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) mod 𝑃) gcd 𝑃) = (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃))
86		ax-1cn 9873	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ 1 ∈ ℂ
87		negdi2 10218	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → -(1 + 1) = (-1 − 1))
88	87	eqcomd 2616	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((1 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ) → (-1 − 1) = -(1 + 1))
89	86, 86, 88	mp2an 704	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ (-1 − 1) = -(1 + 1)
90		1p1e2 11011	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ (1 + 1) = 2
91	90	negeqi 10153	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ -(1 + 1) = -2
92	89, 91	eqtri 2632	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (-1 − 1) = -2
93	92	a1i 11	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝜑 → (-1 − 1) = -2)
94	93	oveq1d 6564	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝜑 → ((-1 − 1) mod 𝑃) = (-2 mod 𝑃))
95	94	oveq1d 6564	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → (((-1 − 1) mod 𝑃) gcd 𝑃) = ((-2 mod 𝑃) gcd 𝑃))
96		nnnegz 11257	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (2 ∈ ℕ → -2 ∈ ℤ)
97	2, 96	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝜑 → -2 ∈ ℤ)
98		modgcd 15091	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((-2 ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℕ) → ((-2 mod 𝑃) gcd 𝑃) = (-2 gcd 𝑃))
99	97, 22, 98	syl2anc 691	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝜑 → ((-2 mod 𝑃) gcd 𝑃) = (-2 gcd 𝑃))
100		2z 11286	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ 2 ∈ ℤ
101	22	nnzd 11357	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℤ)
102		neggcd 15082	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((2 ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℤ) → (-2 gcd 𝑃) = (2 gcd 𝑃))
103	100, 101, 102	sylancr 694	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝜑 → (-2 gcd 𝑃) = (2 gcd 𝑃))
104		nnz 11276	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝑃 ∈ ℕ → 𝑃 ∈ ℤ)
105		oddm1d2 14922	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ⊢ (𝑃 ∈ ℤ → (¬ 2 ∥ 𝑃 ↔ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℤ))
106	104, 105	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑃 ∈ ℕ → (¬ 2 ∥ 𝑃 ↔ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℤ))
107	106	biimprd 237	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑃 ∈ ℕ → (((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℤ → ¬ 2 ∥ 𝑃))
108		nnz 11276	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ → ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℤ)
109	107, 108	impel 484	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ ∧ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ) → ¬ 2 ∥ 𝑃)
110		isoddgcd1 15277	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ⊢ (𝑃 ∈ ℤ → (¬ 2 ∥ 𝑃 ↔ (2 gcd 𝑃) = 1))
111	104, 110	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 ⊢ (𝑃 ∈ ℕ → (¬ 2 ∥ 𝑃 ↔ (2 gcd 𝑃) = 1))
112	111	adantr 480	. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ ∧ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ) → (¬ 2 ∥ 𝑃 ↔ (2 gcd 𝑃) = 1))
113	109, 112	mpbid 221	. . . . . . . . . . . . . . . . 17 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ ∧ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ) → (2 gcd 𝑃) = 1)
114	113	3adant2 1073	. . . . . . . . . . . . . . . 16 ⊢ ((𝑃 ∈ ℕ ∧ 1 < 𝑃 ∧ ((𝑃 − 1) / 2) ∈ ℕ) → (2 gcd 𝑃) = 1)
115	21, 114	syl 17	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (𝜑 → (2 gcd 𝑃) = 1)
116	103, 115	eqtrd 2644	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝜑 → (-2 gcd 𝑃) = 1)
117	99, 116	eqtrd 2644	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (𝜑 → ((-2 mod 𝑃) gcd 𝑃) = 1)
118	95, 117	eqtrd 2644	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝜑 → (((-1 − 1) mod 𝑃) gcd 𝑃) = 1)
119	118	ad3antrrr 762	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → (((-1 − 1) mod 𝑃) gcd 𝑃) = 1)
120	79, 85, 119	3eqtr3d 2652	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃) = 1)
121	56, 120	jca 553	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) ∧ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃)) → (((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = 1 ∧ (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃) = 1))
122	121	ex 449	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) ∧ 𝑥 ∈ ℤ) → (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃) → (((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = 1 ∧ (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃) = 1)))
123	122	reximdva 3000	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 = 2) → (∃𝑥 ∈ ℤ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃) → ∃𝑥 ∈ ℤ (((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = 1 ∧ (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃) = 1)))
124	123	ex 449	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝑝 = 2 → (∃𝑥 ∈ ℤ ((𝑥↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (-1 mod 𝑃) → ∃𝑥 ∈ ℤ (((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = 1 ∧ (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃) = 1))))
125	20, 124	mpid 43	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝑝 = 2 → ∃𝑥 ∈ ℤ (((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = 1 ∧ (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃) = 1)))
126	125	adantr 480	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (𝑝 = 2 → ∃𝑥 ∈ ℤ (((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = 1 ∧ (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃) = 1)))
127	19, 126	sylbid 229	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑝 ∈ ℙ) → (𝑝 ∥ (2↑𝑁) → ∃𝑥 ∈ ℤ (((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = 1 ∧ (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃) = 1)))
128	127	ralrimiva 2949	. 2 ⊢ (𝜑 → ∀𝑝 ∈ ℙ (𝑝 ∥ (2↑𝑁) → ∃𝑥 ∈ ℤ (((𝑥↑(𝑃 − 1)) mod 𝑃) = 1 ∧ (((𝑥↑((𝑃 − 1) / 𝑝)) − 1) gcd 𝑃) = 1)))
129	5, 6, 7, 13, 128	pockthg 15448	1 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℙ)

Colors of variables: wff setvar class

Syntax hints: ¬ wn 3 → wi 4 ↔ wb 195 ∧ wa 383 ∧ w3a 1031 = wceq 1475 ∈ wcel 1977 ≠ wne 2780 ∃wrex 2897 class class class wbr 4583 (class class class)co 6549 ℂcc 9813 ℝcr 9814 0cc0 9815 1c1 9816 + caddc 9818 · cmul 9820 < clt 9953 − cmin 10145 -cneg 10146 / cdiv 10563 ℕcn 10897 2c2 10947 ℕ₀cn0 11169 ℤcz 11254 ℝ⁺crp 11708 mod cmo 12530 ↑cexp 12722 ∥ cdvds 14821 gcd cgcd 15054 ℙcprime 15223

This theorem was proved from axioms: ax-mp 5 ax-1 6 ax-2 7 ax-3 8 ax-gen 1713 ax-4 1728 ax-5 1827 ax-6 1875 ax-7 1922 ax-8 1979 ax-9 1986 ax-10 2006 ax-11 2021 ax-12 2034 ax-13 2234 ax-ext 2590 ax-rep 4699 ax-sep 4709 ax-nul 4717 ax-pow 4769 ax-pr 4833 ax-un 6847 ax-cnex 9871 ax-resscn 9872 ax-1cn 9873 ax-icn 9874 ax-addcl 9875 ax-addrcl 9876 ax-mulcl 9877 ax-mulrcl 9878 ax-mulcom 9879 ax-addass 9880 ax-mulass 9881 ax-distr 9882 ax-i2m1 9883 ax-1ne0 9884 ax-1rid 9885 ax-rnegex 9886 ax-rrecex 9887 ax-cnre 9888 ax-pre-lttri 9889 ax-pre-lttrn 9890 ax-pre-ltadd 9891 ax-pre-mulgt0 9892 ax-pre-sup 9893

This theorem depends on definitions: df-bi 196 df-or 384 df-an 385 df-3or 1032 df-3an 1033 df-tru 1478 df-ex 1696 df-nf 1701 df-sb 1868 df-eu 2462 df-mo 2463 df-clab 2597 df-cleq 2603 df-clel 2606 df-nfc 2740 df-ne 2782 df-nel 2783 df-ral 2901 df-rex 2902 df-reu 2903 df-rmo 2904 df-rab 2905 df-v 3175 df-sbc 3403 df-csb 3500 df-dif 3543 df-un 3545 df-in 3547 df-ss 3554 df-pss 3556 df-nul 3875 df-if 4037 df-pw 4110 df-sn 4126 df-pr 4128 df-tp 4130 df-op 4132 df-uni 4373 df-int 4411 df-iun 4457 df-br 4584 df-opab 4644 df-mpt 4645 df-tr 4681 df-eprel 4949 df-id 4953 df-po 4959 df-so 4960 df-fr 4997 df-we 4999 df-xp 5044 df-rel 5045 df-cnv 5046 df-co 5047 df-dm 5048 df-rn 5049 df-res 5050 df-ima 5051 df-pred 5597 df-ord 5643 df-on 5644 df-lim 5645 df-suc 5646 df-iota 5768 df-fun 5806 df-fn 5807 df-f 5808 df-f1 5809 df-fo 5810 df-f1o 5811 df-fv 5812 df-riota 6511 df-ov 6552 df-oprab 6553 df-mpt2 6554 df-om 6958 df-1st 7059 df-2nd 7060 df-wrecs 7294 df-recs 7355 df-rdg 7393 df-1o 7447 df-2o 7448 df-oadd 7451 df-er 7629 df-map 7746 df-en 7842 df-dom 7843 df-sdom 7844 df-fin 7845 df-sup 8231 df-inf 8232 df-card 8648 df-cda 8873 df-pnf 9955 df-mnf 9956 df-xr 9957 df-ltxr 9958 df-le 9959 df-sub 10147 df-neg 10148 df-div 10564 df-nn 10898 df-2 10956 df-3 10957 df-n0 11170 df-xnn0 11241 df-z 11255 df-uz 11564 df-q 11665 df-rp 11709 df-fz 12198 df-fzo 12335 df-fl 12455 df-mod 12531 df-seq 12664 df-exp 12723 df-hash 12980 df-cj 13687 df-re 13688 df-im 13689 df-sqrt 13823 df-abs 13824 df-dvds 14822 df-gcd 15055 df-prm 15224 df-odz 15308 df-phi 15309 df-pc 15380

This theorem is referenced by: 41prothprm 40074

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