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Theorem dfufd2

Description: Alternative definition of unique factorization domain (UFD). This is often the textbook definition. Chapter VII, Paragraph 3, Section 3, Proposition 2 of BourbakiCAlg2, p. 228. (Contributed by Thierry Arnoux, 6-Jun-2025)

Ref Expression
Hypotheses dfufd2.b ⊢ B = Base R
dfufd2.0 ⊢ 0 ˙ = 0 R
dfufd2.u ⊢ U = Unit ⁡ R
dfufd2.p ⊢ P = RPrime ⁡ R
dfufd2.m ⊢ M = mulGrp R
Assertion dfufd2 ⊢ R ∈ UFD ↔ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 dfufd2.b ⊢ B = Base R
2 dfufd2.0 ⊢ 0 ˙ = 0 R
3 dfufd2.u ⊢ U = Unit ⁡ R
4 dfufd2.p ⊢ P = RPrime ⁡ R
5 dfufd2.m ⊢ M = mulGrp R
6 id ⊢ R ∈ UFD → R ∈ UFD
7 6 ufdidom ⊢ R ∈ UFD → R ∈ IDomn
8 simpl ⊢ R ∈ UFD ∧ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ → R ∈ UFD
9 simpr ⊢ R ∈ UFD ∧ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ → x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙
10 9 eldifad ⊢ R ∈ UFD ∧ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ → x ∈ B ∖ U
11 10 eldifad ⊢ R ∈ UFD ∧ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ → x ∈ B
12 10 eldifbd ⊢ R ∈ UFD ∧ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ → ¬ x ∈ U
13 eldifsni ⊢ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ → x ≠ 0 ˙
14 13 adantl ⊢ R ∈ UFD ∧ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ → x ≠ 0 ˙
15 1 2 3 4 5 8 11 12 14 1arithufd ⊢ R ∈ UFD ∧ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ → ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f
16 15 ralrimiva ⊢ R ∈ UFD → ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f
17 7 16 jca ⊢ R ∈ UFD → R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f
18 simpl ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f → R ∈ IDomn
19 id ⊢ R ∈ IDomn → R ∈ IDomn
20 19 idomringd ⊢ R ∈ IDomn → R ∈ Ring
21 20 ad2antrr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → R ∈ Ring
22 simpr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙
23 22 eldifad ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ∈ PrmIdeal ⁡ R
24 prmidlidl ⊢ R ∈ Ring ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R → i ∈ LIdeal ⁡ R
25 21 23 24 syl2anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ∈ LIdeal ⁡ R
26 eqid ⊢ LIdeal ⁡ R = LIdeal ⁡ R
27 1 26 lidlss ⊢ i ∈ LIdeal ⁡ R → i ⊆ B
28 25 27 syl ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ⊆ B
29 28 sselda ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i → y ∈ B
30 simpr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ y ∈ U → y ∈ U
31 simplr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ y ∈ U → y ∈ i
32 21 ad2antrr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ y ∈ U → R ∈ Ring
33 25 ad2antrr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ y ∈ U → i ∈ LIdeal ⁡ R
34 1 3 30 31 32 33 lidlunitel ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ y ∈ U → i = B
35 eqid ⊢ ⋅ R = ⋅ R
36 1 35 prmidlnr ⊢ R ∈ Ring ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R → i ≠ B
37 21 23 36 syl2anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ≠ B
38 37 ad2antrr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ y ∈ U → i ≠ B
39 38 neneqd ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ y ∈ U → ¬ i = B
40 34 39 pm2.65da ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i → ¬ y ∈ U
41 29 40 eldifd ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i → y ∈ B ∖ U
42 simpllr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i → y ≠ 0 ˙
43 41 42 eldifsnd ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i → y ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙
44 eqeq1 ⊢ x = y → x = ∑ M f ↔ y = ∑ M f
45 44 rexbidv ⊢ x = y → ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ↔ ∃ f ∈ Word P y = ∑ M f
46 45 adantl ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ x = y → ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ↔ ∃ f ∈ Word P y = ∑ M f
47 43 46 rspcdv ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i → ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f → ∃ f ∈ Word P y = ∑ M f
48 simp-5l ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ f ∈ Word P ∧ y = ∑ M f → R ∈ IDomn
49 23 ad3antrrr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ f ∈ Word P ∧ y = ∑ M f → i ∈ PrmIdeal ⁡ R
50 simplr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ f ∈ Word P ∧ y = ∑ M f → f ∈ Word P
51 simpr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ f ∈ Word P ∧ y = ∑ M f → y = ∑ M f
52 simpllr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ f ∈ Word P ∧ y = ∑ M f → y ∈ i
53 51 52 eqeltrrd ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ f ∈ Word P ∧ y = ∑ M f → ∑ M f ∈ i
54 42 ad2antrr ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ f ∈ Word P ∧ y = ∑ M f → y ≠ 0 ˙
55 51 54 eqnetrrd ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ f ∈ Word P ∧ y = ∑ M f → ∑ M f ≠ 0 ˙
56 1 2 3 4 5 48 49 50 53 55 dfufd2lem ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ f ∈ Word P ∧ y = ∑ M f → i ∩ P ≠ ∅
57 56 rexlimdva2 ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i → ∃ f ∈ Word P y = ∑ M f → i ∩ P ≠ ∅
58 47 57 syld ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i → ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f → i ∩ P ≠ ∅
59 58 imp ⊢ R ∈ IDomn ∧ y ≠ 0 ˙ ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f → i ∩ P ≠ ∅
60 59 an52ds ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ ∧ y ∈ i ∧ y ≠ 0 ˙ → i ∩ P ≠ ∅
61 20 ad2antrr ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → R ∈ Ring
62 simpr ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙
63 62 eldifad ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ∈ PrmIdeal ⁡ R
64 61 63 24 syl2anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ∈ LIdeal ⁡ R
65 eldifsni ⊢ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ≠ 0 ˙
66 65 adantl ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ≠ 0 ˙
67 26 2 lidlnz ⊢ R ∈ Ring ∧ i ∈ LIdeal ⁡ R ∧ i ≠ 0 ˙ → ∃ y ∈ i y ≠ 0 ˙
68 61 64 66 67 syl3anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → ∃ y ∈ i y ≠ 0 ˙
69 60 68 r19.29a ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f ∧ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ → i ∩ P ≠ ∅
70 69 ralrimiva ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f → ∀ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ i ∩ P ≠ ∅
71 eqid ⊢ PrmIdeal ⁡ R = PrmIdeal ⁡ R
72 71 4 2 isufd ⊢ R ∈ UFD ↔ R ∈ IDomn ∧ ∀ i ∈ PrmIdeal ⁡ R ∖ 0 ˙ i ∩ P ≠ ∅
73 18 70 72 sylanbrc ⊢ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f → R ∈ UFD
74 17 73 impbii ⊢ R ∈ UFD ↔ R ∈ IDomn ∧ ∀ x ∈ B ∖ U ∖ 0 ˙ ∃ f ∈ Word P x = ∑ M f