Metamath Proof Explorer


Theorem fmtnorec3

Description: The third recurrence relation for Fermat numbers, see Wikipedia "Fermat number", 31-Jul-2021, https://en.wikipedia.org/wiki/Fermat_number#Basic_properties . (Contributed by AV, 2-Aug-2021)

Ref Expression
Assertion fmtnorec3 ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N = FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ ∏ n = 0 N − 2 FermatNo ⁡ n

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fzfid ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 0 … N − 2 ∈ Fin
2 elfznn0 ⊢ n ∈ 0 … N − 2 → n ∈ ℕ 0
3 fmtnonn ⊢ n ∈ ℕ 0 → FermatNo ⁡ n ∈ ℕ
4 2 3 syl ⊢ n ∈ 0 … N − 2 → FermatNo ⁡ n ∈ ℕ
5 4 nncnd ⊢ n ∈ 0 … N − 2 → FermatNo ⁡ n ∈ ℂ
6 5 adantl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 ∧ n ∈ 0 … N − 2 → FermatNo ⁡ n ∈ ℂ
7 1 6 fprodcl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → ∏ n = 0 N − 2 FermatNo ⁡ n ∈ ℂ
8 2cn ⊢ 2 ∈ ℂ
9 8 a1i ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ∈ ℂ
10 uznn0sub ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N − 2 ∈ ℕ 0
11 fmtnorec2 ⊢ N − 2 ∈ ℕ 0 → FermatNo ⁡ N - 2 + 1 = ∏ n = 0 N − 2 FermatNo ⁡ n + 2
12 10 11 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N - 2 + 1 = ∏ n = 0 N − 2 FermatNo ⁡ n + 2
13 12 eqcomd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → ∏ n = 0 N − 2 FermatNo ⁡ n + 2 = FermatNo ⁡ N - 2 + 1
14 7 9 13 mvlraddd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → ∏ n = 0 N − 2 FermatNo ⁡ n = FermatNo ⁡ N - 2 + 1 − 2
15 14 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 2 N − 1 ⁢ ∏ n = 0 N − 2 FermatNo ⁡ n = 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N - 2 + 1 − 2
16 15 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ ∏ n = 0 N − 2 FermatNo ⁡ n = FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N - 2 + 1 − 2
17 2nn0 ⊢ 2 ∈ ℕ 0
18 17 a1i ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ∈ ℕ 0
19 eluz2nn ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N ∈ ℕ
20 nnm1nn0 ⊢ N ∈ ℕ → N − 1 ∈ ℕ 0
21 19 20 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N − 1 ∈ ℕ 0
22 18 21 nn0expcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 N − 1 ∈ ℕ 0
23 18 22 nn0expcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 2 N − 1 ∈ ℕ 0
24 23 nn0cnd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 2 N − 1 ∈ ℂ
25 peano2nn0 ⊢ N − 2 ∈ ℕ 0 → N - 2 + 1 ∈ ℕ 0
26 10 25 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N - 2 + 1 ∈ ℕ 0
27 fmtnonn ⊢ N - 2 + 1 ∈ ℕ 0 → FermatNo ⁡ N - 2 + 1 ∈ ℕ
28 26 27 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N - 2 + 1 ∈ ℕ
29 28 nncnd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N - 2 + 1 ∈ ℂ
30 24 29 9 subdid ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N - 2 + 1 − 2 = 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N - 2 + 1 − 2 2 N − 1 ⋅ 2
31 eluzelcn ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N ∈ ℂ
32 ax-1cn ⊢ 1 ∈ ℂ
33 32 a1i ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 1 ∈ ℂ
34 subsub ⊢ N ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ → N − 2 − 1 = N - 2 + 1
35 34 eqcomd ⊢ N ∈ ℂ ∧ 2 ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ → N - 2 + 1 = N − 2 − 1
36 31 9 33 35 syl3anc ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N - 2 + 1 = N − 2 − 1
37 2m1e1 ⊢ 2 − 1 = 1
38 37 oveq2i ⊢ N − 2 − 1 = N − 1
39 36 38 eqtrdi ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N - 2 + 1 = N − 1
40 39 fveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N - 2 + 1 = FermatNo ⁡ N − 1
41 40 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N - 2 + 1 = 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1
42 41 oveq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N - 2 + 1 − 2 2 N − 1 ⋅ 2 = 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 − 2 2 N − 1 ⋅ 2
43 30 42 eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N - 2 + 1 − 2 = 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 − 2 2 N − 1 ⋅ 2
44 43 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N - 2 + 1 − 2 = FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 - 2 2 N − 1 ⋅ 2
45 fmtnonn ⊢ N − 1 ∈ ℕ 0 → FermatNo ⁡ N − 1 ∈ ℕ
46 21 45 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 ∈ ℕ
47 46 nncnd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 ∈ ℂ
48 47 mullidd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1
49 48 eqcomd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 = 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1
50 49 oveq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 = 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1
51 33 24 47 adddird ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 = 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1
52 33 24 addcomd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 1 + 2 2 N − 1 = 2 2 N − 1 + 1
53 fmtno ⊢ N − 1 ∈ ℕ 0 → FermatNo ⁡ N − 1 = 2 2 N − 1 + 1
54 21 53 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 = 2 2 N − 1 + 1
55 52 54 eqtr4d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 1 + 2 2 N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1
56 55 oveq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1
57 47 sqvald ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 = FermatNo ⁡ N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1
58 56 57 eqtr4d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2
59 50 51 58 3eqtr2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2
60 59 oveq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 - 2 2 N − 1 ⋅ 2 = FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 2 N − 1 ⋅ 2
61 24 47 mulcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 ∈ ℂ
62 24 9 mulcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 2 N − 1 ⋅ 2 ∈ ℂ
63 47 61 62 addsubassd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 - 2 2 N − 1 ⋅ 2 = FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 - 2 2 N − 1 ⋅ 2
64 npcan1 ⊢ N ∈ ℂ → N - 1 + 1 = N
65 31 64 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N - 1 + 1 = N
66 65 eqcomd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → N = N - 1 + 1
67 66 fveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N = FermatNo ⁡ N - 1 + 1
68 fmtnorec1 ⊢ N − 1 ∈ ℕ 0 → FermatNo ⁡ N - 1 + 1 = FermatNo ⁡ N − 1 − 1 2 + 1
69 21 68 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N - 1 + 1 = FermatNo ⁡ N − 1 − 1 2 + 1
70 binom2sub1 ⊢ FermatNo ⁡ N − 1 ∈ ℂ → FermatNo ⁡ N − 1 − 1 2 = FermatNo ⁡ N − 1 2 - 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 1
71 47 70 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 − 1 2 = FermatNo ⁡ N − 1 2 - 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 1
72 71 oveq1d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 − 1 2 + 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 1 + 1
73 46 nnsqcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 ∈ ℕ
74 73 nncnd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 ∈ ℂ
75 9 47 mulcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 ∈ ℂ
76 74 75 subcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 ∈ ℂ
77 76 33 33 addassd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 1 + 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 1 + 1
78 32 2timesi ⊢ 2 ⋅ 1 = 1 + 1
79 78 eqcomi ⊢ 1 + 1 = 2 ⋅ 1
80 79 a1i ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 1 + 1 = 2 ⋅ 1
81 80 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 1 + 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 - 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 2 ⋅ 1
82 77 81 eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 1 + 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 - 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 2 ⋅ 1
83 8 32 mulcli ⊢ 2 ⋅ 1 ∈ ℂ
84 83 a1i ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ⋅ 1 ∈ ℂ
85 74 75 84 subadd23d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 - 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 2 ⋅ 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 + 2 ⋅ 1 - 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1
86 9 33 47 subdid ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1 = 2 ⋅ 1 − 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1
87 86 eqcomd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ⋅ 1 − 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 = 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1
88 87 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 + 2 ⋅ 1 - 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 + 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1
89 33 47 subcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 1 − FermatNo ⁡ N − 1 ∈ ℂ
90 9 89 mulneg2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ⁢ − 1 − FermatNo ⁡ N − 1 = − 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1
91 33 47 negsubdi2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → − 1 − FermatNo ⁡ N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1 − 1
92 fmtnom1nn ⊢ N − 1 ∈ ℕ 0 → FermatNo ⁡ N − 1 − 1 = 2 2 N − 1
93 21 92 syl ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 − 1 = 2 2 N − 1
94 91 93 eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → − 1 − FermatNo ⁡ N − 1 = 2 2 N − 1
95 94 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ⁢ − 1 − FermatNo ⁡ N − 1 = 2 ⁢ 2 2 N − 1
96 90 95 eqtr3d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → − 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1 = 2 ⁢ 2 2 N − 1
97 96 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 − − 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 ⁢ 2 2 N − 1
98 9 89 mulcld ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1 ∈ ℂ
99 74 98 subnegd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 − − 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 + 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1
100 9 24 mulcomd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ⁢ 2 2 N − 1 = 2 2 N − 1 ⋅ 2
101 100 oveq2d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 ⁢ 2 2 N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 2 N − 1 ⋅ 2
102 97 99 101 3eqtr3d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 + 2 ⁢ 1 − FermatNo ⁡ N − 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 2 N − 1 ⋅ 2
103 85 88 102 3eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 - 2 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 + 2 ⋅ 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 2 N − 1 ⋅ 2
104 72 82 103 3eqtrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 − 1 2 + 1 = FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 2 N − 1 ⋅ 2
105 67 69 104 3eqtrrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 2 − 2 2 N − 1 ⋅ 2 = FermatNo ⁡ N
106 60 63 105 3eqtr3d ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ FermatNo ⁡ N − 1 - 2 2 N − 1 ⋅ 2 = FermatNo ⁡ N
107 16 44 106 3eqtrrd ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → FermatNo ⁡ N = FermatNo ⁡ N − 1 + 2 2 N − 1 ⁢ ∏ n = 0 N − 2 FermatNo ⁡ n