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Theorem inlinecirc02p

Description: Intersection of a line with a circle: A line passing through a point within a circle around the origin intersects the circle at exactly two different points. (Contributed by AV, 9-May-2023) (Revised by AV, 16-May-2023)

Ref Expression
Hypotheses inlinecirc02p.i ⊢ I = 0 ..^ 2
inlinecirc02p.e ⊢ E = I
inlinecirc02p.p ⊢ P = ℝ I
inlinecirc02p.s ⊢ S = Sphere ⁡ E
inlinecirc02p.0 ⊢ 0 ˙ = ⟨“ 0 0 ”⟩
inlinecirc02p.l ⊢ L = Line M ⁡ E
inlinecirc02p.d ⊢ D = dist ⁡ E
Assertion inlinecirc02p ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → 0 ˙ S R ∩ X L Y ∈ PrPairs ⁡ P

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 inlinecirc02p.i ⊢ I = 0 ..^ 2
2 inlinecirc02p.e ⊢ E = I
3 inlinecirc02p.p ⊢ P = ℝ I
4 inlinecirc02p.s ⊢ S = Sphere ⁡ E
5 inlinecirc02p.0 ⊢ 0 ˙ = ⟨“ 0 0 ”⟩
6 inlinecirc02p.l ⊢ L = Line M ⁡ E
7 inlinecirc02p.d ⊢ D = dist ⁡ E
8 3 ovexi ⊢ P ∈ V
9 8 a1i ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → P ∈ V
10 simpl ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y
11 simpl ⊢ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → R ∈ ℝ +
12 11 adantl ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → R ∈ ℝ +
13 1 3 rrx2pxel ⊢ X ∈ P → X ⁡ 0 ∈ ℝ
14 13 3ad2ant1 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → X ⁡ 0 ∈ ℝ
15 14 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 0 ∈ ℝ
16 1 3 rrx2pyel ⊢ X ∈ P → X ⁡ 1 ∈ ℝ
17 16 3ad2ant1 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → X ⁡ 1 ∈ ℝ
18 17 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 1 ∈ ℝ
19 1 3 rrx2pxel ⊢ Y ∈ P → Y ⁡ 0 ∈ ℝ
20 19 3ad2ant2 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → Y ⁡ 0 ∈ ℝ
21 20 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → Y ⁡ 0 ∈ ℝ
22 1 3 rrx2pyel ⊢ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ∈ ℝ
23 22 3ad2ant2 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → Y ⁡ 1 ∈ ℝ
24 23 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → Y ⁡ 1 ∈ ℝ
25 eqid ⊢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 = Y ⁡ 0 − X ⁡ 0
26 eqid ⊢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 = X ⁡ 1 − Y ⁡ 1
27 eqid ⊢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0
28 rpre ⊢ R ∈ ℝ + → R ∈ ℝ
29 28 adantr ⊢ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → R ∈ ℝ
30 29 adantl ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → R ∈ ℝ
31 1 eqcomi ⊢ 0 ..^ 2 = I
32 31 fveq2i ⊢ 0 ..^ 2 = I
33 2nn0 ⊢ 2 ∈ ℕ 0
34 eqid ⊢ 𝔼 hil ⁡ 2 = 𝔼 hil ⁡ 2
35 34 ehlval ⊢ 2 ∈ ℕ 0 → 𝔼 hil ⁡ 2 = 0 ..^ 2
36 33 35 ax-mp ⊢ 𝔼 hil ⁡ 2 = 0 ..^ 2
37 32 36 2 3eqtr4ri ⊢ E = 𝔼 hil ⁡ 2
38 1 oveq2i ⊢ ℝ I = ℝ 0 ..^ 2
39 3 38 eqtri ⊢ P = ℝ 0 ..^ 2
40 37 39 7 5 ehl2eudis0lt ⊢ X ∈ P ∧ R ∈ ℝ + → X D 0 ˙ < R ↔ X ⁡ 0 2 + X ⁡ 1 2 < R 2
41 40 3ad2antl1 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + → X D 0 ˙ < R ↔ X ⁡ 0 2 + X ⁡ 1 2 < R 2
42 41 biimpd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + → X D 0 ˙ < R → X ⁡ 0 2 + X ⁡ 1 2 < R 2
43 42 impr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 0 2 + X ⁡ 1 2 < R 2
44 1 3 rrx2pnecoorneor ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → X ⁡ 0 ≠ Y ⁡ 0 ∨ X ⁡ 1 ≠ Y ⁡ 1
45 44 orcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → X ⁡ 1 ≠ Y ⁡ 1 ∨ X ⁡ 0 ≠ Y ⁡ 0
46 45 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 1 ≠ Y ⁡ 1 ∨ X ⁡ 0 ≠ Y ⁡ 0
47 eqid ⊢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 = X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2
48 eqid ⊢ R 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 − Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 2 = R 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 − Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 2
49 15 18 21 24 25 26 27 30 43 46 47 48 2itscp ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → 0 < R 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 − Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 2
50 19 recnd ⊢ Y ∈ P → Y ⁡ 0 ∈ ℂ
51 50 adantl ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 0 ∈ ℂ
52 13 recnd ⊢ X ∈ P → X ⁡ 0 ∈ ℂ
53 52 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 0 ∈ ℂ
54 16 recnd ⊢ X ∈ P → X ⁡ 1 ∈ ℂ
55 54 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 1 ∈ ℂ
56 51 53 55 subdird ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 = Y ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1
57 22 recnd ⊢ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ∈ ℂ
58 57 adantl ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ∈ ℂ
59 55 58 53 subdird ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0
60 56 59 oveq12d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = Y ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 - Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0
61 51 55 mulcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0
62 61 oveq1d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1
63 55 53 mulcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1
64 58 53 mulcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1
65 63 64 oveq12d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1
66 62 65 oveq12d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 - Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 - X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1
67 55 51 mulcld ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 ∈ ℂ
68 53 55 mulcld ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 ∈ ℂ
69 53 58 mulcld ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 ∈ ℂ
70 67 68 69 npncand ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 - X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 = X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1
71 60 66 70 3eqtrd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1
72 71 3adant3 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1
73 72 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 = X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1
74 73 eqcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 = Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0
75 74 oveq1d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 2 = Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 2
76 75 oveq2d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → R 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 2 = R 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 − Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ X ⁡ 1 + X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 0 2
77 49 76 breqtrrd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → 0 < R 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 2
78 eqid ⊢ R 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 2 = R 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 2
79 eqid ⊢ X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 = X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1
80 1 2 3 4 5 6 47 78 26 25 79 inlinecirc02plem ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ 0 < R 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 1 2 + Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 2 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 0 − X ⁡ 0 ⁢ Y ⁡ 1 2 → ∃ a ∈ P ∃ b ∈ P 0 ˙ S R ∩ X L Y = a b ∧ a ≠ b
81 10 12 77 80 syl12anc ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → ∃ a ∈ P ∃ b ∈ P 0 ˙ S R ∩ X L Y = a b ∧ a ≠ b
82 prprelprb ⊢ 0 ˙ S R ∩ X L Y ∈ PrPairs ⁡ P ↔ P ∈ V ∧ ∃ a ∈ P ∃ b ∈ P 0 ˙ S R ∩ X L Y = a b ∧ a ≠ b
83 9 81 82 sylanbrc ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → 0 ˙ S R ∩ X L Y ∈ PrPairs ⁡ P