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Theorem freshmansdream

Description: For a prime number P , if X and Y are members of a commutative ring R of characteristic P , then ( ( X + Y ) ^ P ) = ( ( X ^ P ) + ( Y ^ P ) ) . This theorem is sometimes referred to as "the freshman's dream" . (Contributed by Thierry Arnoux, 18-Sep-2023)

Ref Expression
Hypotheses freshmansdream.s B = Base R
freshmansdream.a + ˙ = + R
freshmansdream.p × ˙ = mulGrp R
freshmansdream.c P = chr R
freshmansdream.r φ R CRing
freshmansdream.1 φ P
freshmansdream.x φ X B
freshmansdream.y φ Y B
Assertion freshmansdream φ P × ˙ X + ˙ Y = P × ˙ X + ˙ P × ˙ Y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 freshmansdream.s B = Base R
2 freshmansdream.a + ˙ = + R
3 freshmansdream.p × ˙ = mulGrp R
4 freshmansdream.c P = chr R
5 freshmansdream.r φ R CRing
6 freshmansdream.1 φ P
7 freshmansdream.x φ X B
8 freshmansdream.y φ Y B
9 crngring R CRing R Ring
10 4 chrcl R Ring P 0
11 5 9 10 3syl φ P 0
12 eqid R = R
13 eqid R = R
14 eqid mulGrp R = mulGrp R
15 1 12 13 2 14 3 crngbinom R CRing P 0 X B Y B P × ˙ X + ˙ Y = R i = 0 P ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y
16 5 11 7 8 15 syl22anc φ P × ˙ X + ˙ Y = R i = 0 P ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y
17 11 nn0cnd φ P
18 1cnd φ 1
19 17 18 npcand φ P - 1 + 1 = P
20 19 oveq2d φ 0 P - 1 + 1 = 0 P
21 20 eqcomd φ 0 P = 0 P - 1 + 1
22 21 mpteq1d φ i 0 P ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = i 0 P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y
23 22 oveq2d φ R i = 0 P ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = R i = 0 P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y
24 ringcmn R Ring R CMnd
25 5 9 24 3syl φ R CMnd
26 prmnn P P
27 nnm1nn0 P P 1 0
28 6 26 27 3syl φ P 1 0
29 ringgrp R Ring R Grp
30 5 9 29 3syl φ R Grp
31 30 adantr φ i 0 P - 1 + 1 R Grp
32 11 adantr φ i 0 P - 1 + 1 P 0
33 fzssz 0 P - 1 + 1
34 33 a1i φ 0 P - 1 + 1
35 34 sselda φ i 0 P - 1 + 1 i
36 bccl P 0 i ( P i) 0
37 32 35 36 syl2anc φ i 0 P - 1 + 1 ( P i) 0
38 37 nn0zd φ i 0 P - 1 + 1 ( P i)
39 5 9 syl φ R Ring
40 39 adantr φ i 0 P - 1 + 1 R Ring
41 14 ringmgp R Ring mulGrp R Mnd
42 39 41 syl φ mulGrp R Mnd
43 42 adantr φ i 0 P - 1 + 1 mulGrp R Mnd
44 simpr φ i 0 P - 1 + 1 i 0 P - 1 + 1
45 20 adantr φ i 0 P - 1 + 1 0 P - 1 + 1 = 0 P
46 44 45 eleqtrd φ i 0 P - 1 + 1 i 0 P
47 fznn0sub i 0 P P i 0
48 46 47 syl φ i 0 P - 1 + 1 P i 0
49 7 adantr φ i 0 P - 1 + 1 X B
50 14 1 mgpbas B = Base mulGrp R
51 50 3 mulgnn0cl mulGrp R Mnd P i 0 X B P i × ˙ X B
52 43 48 49 51 syl3anc φ i 0 P - 1 + 1 P i × ˙ X B
53 elfznn0 i 0 P - 1 + 1 i 0
54 53 adantl φ i 0 P - 1 + 1 i 0
55 8 adantr φ i 0 P - 1 + 1 Y B
56 50 3 mulgnn0cl mulGrp R Mnd i 0 Y B i × ˙ Y B
57 43 54 55 56 syl3anc φ i 0 P - 1 + 1 i × ˙ Y B
58 1 12 ringcl R Ring P i × ˙ X B i × ˙ Y B P i × ˙ X R i × ˙ Y B
59 40 52 57 58 syl3anc φ i 0 P - 1 + 1 P i × ˙ X R i × ˙ Y B
60 1 13 mulgcl R Grp ( P i) P i × ˙ X R i × ˙ Y B ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y B
61 31 38 59 60 syl3anc φ i 0 P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y B
62 1 2 25 28 61 gsummptfzsplit φ R i = 0 P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = R i = 0 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y + ˙ R i P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y
63 30 adantr φ i 0 P 1 R Grp
64 elfzelz i 0 P 1 i
65 11 64 36 syl2an φ i 0 P 1 ( P i) 0
66 65 nn0zd φ i 0 P 1 ( P i)
67 39 adantr φ i 0 P 1 R Ring
68 67 41 syl φ i 0 P 1 mulGrp R Mnd
69 fzssp1 0 P 1 0 P - 1 + 1
70 69 20 sseqtrid φ 0 P 1 0 P
71 70 sselda φ i 0 P 1 i 0 P
72 71 47 syl φ i 0 P 1 P i 0
73 7 adantr φ i 0 P 1 X B
74 68 72 73 51 syl3anc φ i 0 P 1 P i × ˙ X B
75 elfznn0 i 0 P 1 i 0
76 75 adantl φ i 0 P 1 i 0
77 8 adantr φ i 0 P 1 Y B
78 68 76 77 56 syl3anc φ i 0 P 1 i × ˙ Y B
79 67 74 78 58 syl3anc φ i 0 P 1 P i × ˙ X R i × ˙ Y B
80 63 66 79 60 syl3anc φ i 0 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y B
81 1 2 25 28 80 gsummptfzsplitl φ R i = 0 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = R i = 1 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y + ˙ R i 0 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y
82 39 adantr φ i 1 P 1 R Ring
83 prmdvdsbc P i 1 P 1 P ( P i)
84 6 83 sylan φ i 1 P 1 P ( P i)
85 82 41 syl φ i 1 P 1 mulGrp R Mnd
86 11 nn0zd φ P
87 1nn0 1 0
88 eluzmn P 1 0 P P 1
89 86 87 88 sylancl φ P P 1
90 fzss2 P P 1 1 P 1 1 P
91 89 90 syl φ 1 P 1 1 P
92 91 sselda φ i 1 P 1 i 1 P
93 fznn0sub i 1 P P i 0
94 92 93 syl φ i 1 P 1 P i 0
95 7 adantr φ i 1 P 1 X B
96 85 94 95 51 syl3anc φ i 1 P 1 P i × ˙ X B
97 elfznn i 1 P 1 i
98 97 nnnn0d i 1 P 1 i 0
99 98 adantl φ i 1 P 1 i 0
100 8 adantr φ i 1 P 1 Y B
101 85 99 100 56 syl3anc φ i 1 P 1 i × ˙ Y B
102 82 96 101 58 syl3anc φ i 1 P 1 P i × ˙ X R i × ˙ Y B
103 eqid 0 R = 0 R
104 4 1 13 103 dvdschrmulg R Ring P ( P i) P i × ˙ X R i × ˙ Y B ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = 0 R
105 82 84 102 104 syl3anc φ i 1 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = 0 R
106 105 mpteq2dva φ i 1 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = i 1 P 1 0 R
107 106 oveq2d φ R i = 1 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = R i = 1 P 1 0 R
108 ringmnd R Ring R Mnd
109 39 108 syl φ R Mnd
110 ovex 1 P 1 V
111 103 gsumz R Mnd 1 P 1 V R i = 1 P 1 0 R = 0 R
112 109 110 111 sylancl φ R i = 1 P 1 0 R = 0 R
113 107 112 eqtrd φ R i = 1 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = 0 R
114 0nn0 0 0
115 114 a1i φ 0 0
116 50 3 mulgnn0cl mulGrp R Mnd P 0 X B P × ˙ X B
117 42 11 7 116 syl3anc φ P × ˙ X B
118 simpr φ i = 0 i = 0
119 118 oveq2d φ i = 0 ( P i) = ( P 0 )
120 118 oveq2d φ i = 0 P i = P 0
121 120 oveq1d φ i = 0 P i × ˙ X = P 0 × ˙ X
122 118 oveq1d φ i = 0 i × ˙ Y = 0 × ˙ Y
123 121 122 oveq12d φ i = 0 P i × ˙ X R i × ˙ Y = P 0 × ˙ X R 0 × ˙ Y
124 119 123 oveq12d φ i = 0 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = ( P 0 ) R P 0 × ˙ X R 0 × ˙ Y
125 bcn0 P 0 ( P 0 ) = 1
126 11 125 syl φ ( P 0 ) = 1
127 17 subid1d φ P 0 = P
128 127 oveq1d φ P 0 × ˙ X = P × ˙ X
129 eqid 1 R = 1 R
130 14 129 ringidval 1 R = 0 mulGrp R
131 50 130 3 mulg0 Y B 0 × ˙ Y = 1 R
132 8 131 syl φ 0 × ˙ Y = 1 R
133 128 132 oveq12d φ P 0 × ˙ X R 0 × ˙ Y = P × ˙ X R 1 R
134 1 12 129 ringridm R Ring P × ˙ X B P × ˙ X R 1 R = P × ˙ X
135 39 117 134 syl2anc φ P × ˙ X R 1 R = P × ˙ X
136 133 135 eqtrd φ P 0 × ˙ X R 0 × ˙ Y = P × ˙ X
137 126 136 oveq12d φ ( P 0 ) R P 0 × ˙ X R 0 × ˙ Y = 1 R P × ˙ X
138 1 13 mulg1 P × ˙ X B 1 R P × ˙ X = P × ˙ X
139 117 138 syl φ 1 R P × ˙ X = P × ˙ X
140 137 139 eqtrd φ ( P 0 ) R P 0 × ˙ X R 0 × ˙ Y = P × ˙ X
141 140 adantr φ i = 0 ( P 0 ) R P 0 × ˙ X R 0 × ˙ Y = P × ˙ X
142 124 141 eqtrd φ i = 0 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = P × ˙ X
143 1 109 115 117 142 gsumsnd φ R i 0 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = P × ˙ X
144 113 143 oveq12d φ R i = 1 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y + ˙ R i 0 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = 0 R + ˙ P × ˙ X
145 1 2 103 grplid R Grp P × ˙ X B 0 R + ˙ P × ˙ X = P × ˙ X
146 30 117 145 syl2anc φ 0 R + ˙ P × ˙ X = P × ˙ X
147 81 144 146 3eqtrd φ R i = 0 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = P × ˙ X
148 19 11 eqeltrd φ P - 1 + 1 0
149 50 3 mulgnn0cl mulGrp R Mnd P 0 Y B P × ˙ Y B
150 42 11 8 149 syl3anc φ P × ˙ Y B
151 simpr φ i = P - 1 + 1 i = P - 1 + 1
152 19 adantr φ i = P - 1 + 1 P - 1 + 1 = P
153 151 152 eqtrd φ i = P - 1 + 1 i = P
154 153 oveq2d φ i = P - 1 + 1 ( P i) = ( P P)
155 153 oveq2d φ i = P - 1 + 1 P i = P P
156 155 oveq1d φ i = P - 1 + 1 P i × ˙ X = P P × ˙ X
157 153 oveq1d φ i = P - 1 + 1 i × ˙ Y = P × ˙ Y
158 156 157 oveq12d φ i = P - 1 + 1 P i × ˙ X R i × ˙ Y = P P × ˙ X R P × ˙ Y
159 154 158 oveq12d φ i = P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = ( P P) R P P × ˙ X R P × ˙ Y
160 bcnn P 0 ( P P) = 1
161 11 160 syl φ ( P P) = 1
162 17 subidd φ P P = 0
163 162 oveq1d φ P P × ˙ X = 0 × ˙ X
164 50 130 3 mulg0 X B 0 × ˙ X = 1 R
165 7 164 syl φ 0 × ˙ X = 1 R
166 163 165 eqtrd φ P P × ˙ X = 1 R
167 166 oveq1d φ P P × ˙ X R P × ˙ Y = 1 R R P × ˙ Y
168 1 12 129 ringlidm R Ring P × ˙ Y B 1 R R P × ˙ Y = P × ˙ Y
169 39 150 168 syl2anc φ 1 R R P × ˙ Y = P × ˙ Y
170 167 169 eqtrd φ P P × ˙ X R P × ˙ Y = P × ˙ Y
171 161 170 oveq12d φ ( P P) R P P × ˙ X R P × ˙ Y = 1 R P × ˙ Y
172 1 13 mulg1 P × ˙ Y B 1 R P × ˙ Y = P × ˙ Y
173 150 172 syl φ 1 R P × ˙ Y = P × ˙ Y
174 171 173 eqtrd φ ( P P) R P P × ˙ X R P × ˙ Y = P × ˙ Y
175 174 adantr φ i = P - 1 + 1 ( P P) R P P × ˙ X R P × ˙ Y = P × ˙ Y
176 159 175 eqtrd φ i = P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = P × ˙ Y
177 1 109 148 150 176 gsumsnd φ R i P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = P × ˙ Y
178 147 177 oveq12d φ R i = 0 P 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y + ˙ R i P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = P × ˙ X + ˙ P × ˙ Y
179 62 178 eqtrd φ R i = 0 P - 1 + 1 ( P i) R P i × ˙ X R i × ˙ Y = P × ˙ X + ˙ P × ˙ Y
180 16 23 179 3eqtrd φ P × ˙ X + ˙ Y = P × ˙ X + ˙ P × ˙ Y