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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 = 1 2
inlinecirc02p.e ⊢ E = I
inlinecirc02p.p ⊢ P = ℝ I
inlinecirc02p.s ⊢ S = Sphere ⁡ E
inlinecirc02p.0 ⊢ 0 ˙ = I × 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 = 1 2
2 inlinecirc02p.e ⊢ E = I
3 inlinecirc02p.p ⊢ P = ℝ I
4 inlinecirc02p.s ⊢ S = Sphere ⁡ E
5 inlinecirc02p.0 ⊢ 0 ˙ = I × 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 ⁡ 1 ∈ ℝ
14 13 3ad2ant1 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → X ⁡ 1 ∈ ℝ
15 14 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 1 ∈ ℝ
16 1 3 rrx2pyel ⊢ X ∈ P → X ⁡ 2 ∈ ℝ
17 16 3ad2ant1 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → X ⁡ 2 ∈ ℝ
18 17 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 2 ∈ ℝ
19 1 3 rrx2pxel ⊢ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ∈ ℝ
20 19 3ad2ant2 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → Y ⁡ 1 ∈ ℝ
21 20 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → Y ⁡ 1 ∈ ℝ
22 1 3 rrx2pyel ⊢ Y ∈ P → Y ⁡ 2 ∈ ℝ
23 22 3ad2ant2 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → Y ⁡ 2 ∈ ℝ
24 23 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → Y ⁡ 2 ∈ ℝ
25 eqid ⊢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 = Y ⁡ 1 − X ⁡ 1
26 eqid ⊢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 = X ⁡ 2 − Y ⁡ 2
27 eqid ⊢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1
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 2nn0 ⊢ 2 ∈ ℕ 0
32 eqid ⊢ 𝔼 hil ⁡ 2 = 𝔼 hil ⁡ 2
33 32 ehlval ⊢ 2 ∈ ℕ 0 → 𝔼 hil ⁡ 2 = 1 … 2
34 31 33 ax-mp ⊢ 𝔼 hil ⁡ 2 = 1 … 2
35 fz12pr ⊢ 1 … 2 = 1 2
36 35 1 eqtr4i ⊢ 1 … 2 = I
37 36 fveq2i ⊢ 1 … 2 = I
38 34 37 eqtri ⊢ 𝔼 hil ⁡ 2 = I
39 2 38 eqtr4i ⊢ E = 𝔼 hil ⁡ 2
40 1 oveq2i ⊢ ℝ I = ℝ 1 2
41 3 40 eqtri ⊢ P = ℝ 1 2
42 1 xpeq1i ⊢ I × 0 = 1 2 × 0
43 5 42 eqtri ⊢ 0 ˙ = 1 2 × 0
44 39 41 7 43 ehl2eudis0lt ⊢ X ∈ P ∧ R ∈ ℝ + → X D 0 ˙ < R ↔ X ⁡ 1 2 + X ⁡ 2 2 < R 2
45 44 3ad2antl1 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + → X D 0 ˙ < R ↔ X ⁡ 1 2 + X ⁡ 2 2 < R 2
46 45 biimpd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + → X D 0 ˙ < R → X ⁡ 1 2 + X ⁡ 2 2 < R 2
47 46 impr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 1 2 + X ⁡ 2 2 < R 2
48 1 3 rrx2pnecoorneor ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → X ⁡ 1 ≠ Y ⁡ 1 ∨ X ⁡ 2 ≠ Y ⁡ 2
49 48 orcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → X ⁡ 2 ≠ Y ⁡ 2 ∨ X ⁡ 1 ≠ Y ⁡ 1
50 49 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 2 ≠ Y ⁡ 2 ∨ X ⁡ 1 ≠ Y ⁡ 1
51 eqid ⊢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 = X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2
52 eqid ⊢ R 2 ⁢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 − Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 2 = R 2 ⁢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 − Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 2
53 15 18 21 24 25 26 27 30 47 50 51 52 2itscp ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → 0 < R 2 ⁢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 − Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 2
54 19 recnd ⊢ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ∈ ℂ
55 54 adantl ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ∈ ℂ
56 13 recnd ⊢ X ∈ P → X ⁡ 1 ∈ ℂ
57 56 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 1 ∈ ℂ
58 16 recnd ⊢ X ∈ P → X ⁡ 2 ∈ ℂ
59 58 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 2 ∈ ℂ
60 55 57 59 subdird ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 = Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2
61 22 recnd ⊢ Y ∈ P → Y ⁡ 2 ∈ ℂ
62 61 adantl ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 2 ∈ ℂ
63 59 62 57 subdird ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1
64 60 63 oveq12d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 - Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1
65 55 59 mulcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 = X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1
66 65 oveq1d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 = X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2
67 59 57 mulcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2
68 62 57 mulcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2
69 67 68 oveq12d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2
70 66 69 oveq12d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 - Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 - X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2
71 59 55 mulcld ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 ∈ ℂ
72 57 59 mulcld ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 ∈ ℂ
73 57 62 mulcld ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 ∈ ℂ
74 71 72 73 npncand ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 - X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 = X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2
75 64 70 74 3eqtrd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P → Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2
76 75 3adant3 ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y → Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2
77 76 adantr ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 = X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2
78 77 eqcomd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 = Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1
79 78 oveq1d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 2 = Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 2
80 79 oveq2d ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → R 2 ⁢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 − X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 2 = R 2 ⁢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 − Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ X ⁡ 2 + X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 ⁢ X ⁡ 1 2
81 53 80 breqtrrd ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → 0 < R 2 ⁢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 − X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 2
82 eqid ⊢ R 2 ⁢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 − X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 2 = R 2 ⁢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 − X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 2
83 eqid ⊢ X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 = X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2
84 1 2 3 4 5 6 51 82 26 25 83 inlinecirc02plem ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ 0 < R 2 ⁢ X ⁡ 2 − Y ⁡ 2 2 + Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 2 − X ⁡ 2 ⁢ Y ⁡ 1 − X ⁡ 1 ⁢ Y ⁡ 2 2 → ∃ a ∈ P ∃ b ∈ P 0 ˙ S R ∩ X L Y = a b ∧ a ≠ b
85 10 12 81 84 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
86 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
87 9 85 86 sylanbrc ⊢ X ∈ P ∧ Y ∈ P ∧ X ≠ Y ∧ R ∈ ℝ + ∧ X D 0 ˙ < R → 0 ˙ S R ∩ X L Y ∈ PrPairs ⁡ P