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Theorem isdrng4

Description: A division ring is a ring in which 1 =/= 0 and every nonzero element has a left and right inverse. (Contributed by Thierry Arnoux, 2-Mar-2025)

Ref Expression
Hypotheses isdrng4.b ⊢ B = Base R
isdrng4.0 ⊢ 0 ˙ = 0 R
isdrng4.1 ⊢ 1 ˙ = 1 R
isdrng4.x ⊢ · ˙ = ⋅ R
isdrng4.u ⊢ U = Unit ⁡ R
isdrng4.r ⊢ φ → R ∈ Ring
Assertion isdrng4 ⊢ φ → R ∈ DivRing ↔ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 isdrng4.b ⊢ B = Base R
2 isdrng4.0 ⊢ 0 ˙ = 0 R
3 isdrng4.1 ⊢ 1 ˙ = 1 R
4 isdrng4.x ⊢ · ˙ = ⋅ R
5 isdrng4.u ⊢ U = Unit ⁡ R
6 isdrng4.r ⊢ φ → R ∈ Ring
7 1 5 2 isdrng ⊢ R ∈ DivRing ↔ R ∈ Ring ∧ U = B ∖ 0 ˙
8 6 biantrurd ⊢ φ → U = B ∖ 0 ˙ ↔ R ∈ Ring ∧ U = B ∖ 0 ˙
9 7 8 bitr4id ⊢ φ → R ∈ DivRing ↔ U = B ∖ 0 ˙
10 5 3 1unit ⊢ R ∈ Ring → 1 ˙ ∈ U
11 6 10 syl ⊢ φ → 1 ˙ ∈ U
12 11 adantr ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ → 1 ˙ ∈ U
13 simpr ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ → U = B ∖ 0 ˙
14 12 13 eleqtrd ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ → 1 ˙ ∈ B ∖ 0 ˙
15 eldifsni ⊢ 1 ˙ ∈ B ∖ 0 ˙ → 1 ˙ ≠ 0 ˙
16 14 15 syl ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ → 1 ˙ ≠ 0 ˙
17 simpll ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ → φ
18 13 eleq2d ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ → x ∈ U ↔ x ∈ B ∖ 0 ˙
19 18 biimpar ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ → x ∈ U
20 6 ad5antr ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ ∧ z ∈ B ∧ x · ˙ z = 1 ˙ → R ∈ Ring
21 1 5 unitcl ⊢ x ∈ U → x ∈ B
22 21 ad5antlr ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ ∧ z ∈ B ∧ x · ˙ z = 1 ˙ → x ∈ B
23 simp-4r ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ ∧ z ∈ B ∧ x · ˙ z = 1 ˙ → y ∈ B
24 simplr ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ ∧ z ∈ B ∧ x · ˙ z = 1 ˙ → z ∈ B
25 simpllr ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ ∧ z ∈ B ∧ x · ˙ z = 1 ˙ → y · ˙ x = 1 ˙
26 simpr ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ ∧ z ∈ B ∧ x · ˙ z = 1 ˙ → x · ˙ z = 1 ˙
27 1 2 3 4 5 20 22 23 24 25 26 ringinveu ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ ∧ z ∈ B ∧ x · ˙ z = 1 ˙ → z = y
28 27 oveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ ∧ z ∈ B ∧ x · ˙ z = 1 ˙ → x · ˙ z = x · ˙ y
29 28 26 eqtr3d ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ ∧ z ∈ B ∧ x · ˙ z = 1 ˙ → x · ˙ y = 1 ˙
30 21 ad3antlr ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x ∈ B
31 eqid ⊢ ∥ r ⁡ R = ∥ r ⁡ R
32 eqid ⊢ opp r ⁡ R = opp r ⁡ R
33 eqid ⊢ ∥ r ⁡ opp r ⁡ R = ∥ r ⁡ opp r ⁡ R
34 5 3 31 32 33 isunit ⊢ x ∈ U ↔ x ∥ r ⁡ R 1 ˙ ∧ x ∥ r ⁡ opp r ⁡ R 1 ˙
35 34 simprbi ⊢ x ∈ U → x ∥ r ⁡ opp r ⁡ R 1 ˙
36 35 ad3antlr ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x ∥ r ⁡ opp r ⁡ R 1 ˙
37 32 1 opprbas ⊢ B = Base opp r ⁡ R
38 eqid ⊢ ⋅ opp r ⁡ R = ⋅ opp r ⁡ R
39 37 33 38 dvdsr2 ⊢ x ∈ B → x ∥ r ⁡ opp r ⁡ R 1 ˙ ↔ ∃ y ∈ B y ⋅ opp r ⁡ R x = 1 ˙
40 39 biimpa ⊢ x ∈ B ∧ x ∥ r ⁡ opp r ⁡ R 1 ˙ → ∃ y ∈ B y ⋅ opp r ⁡ R x = 1 ˙
41 1 4 32 38 opprmul ⊢ y ⋅ opp r ⁡ R x = x · ˙ y
42 41 eqeq1i ⊢ y ⋅ opp r ⁡ R x = 1 ˙ ↔ x · ˙ y = 1 ˙
43 42 rexbii ⊢ ∃ y ∈ B y ⋅ opp r ⁡ R x = 1 ˙ ↔ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙
44 40 43 sylib ⊢ x ∈ B ∧ x ∥ r ⁡ opp r ⁡ R 1 ˙ → ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙
45 oveq2 ⊢ y = z → x · ˙ y = x · ˙ z
46 45 eqeq1d ⊢ y = z → x · ˙ y = 1 ˙ ↔ x · ˙ z = 1 ˙
47 46 cbvrexvw ⊢ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ↔ ∃ z ∈ B x · ˙ z = 1 ˙
48 44 47 sylib ⊢ x ∈ B ∧ x ∥ r ⁡ opp r ⁡ R 1 ˙ → ∃ z ∈ B x · ˙ z = 1 ˙
49 30 36 48 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → ∃ z ∈ B x · ˙ z = 1 ˙
50 29 49 r19.29a ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x · ˙ y = 1 ˙
51 simpr ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → y · ˙ x = 1 ˙
52 50 51 jca ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙
53 52 anasss ⊢ φ ∧ x ∈ U ∧ y ∈ B ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙
54 21 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ U → x ∈ B
55 34 simplbi ⊢ x ∈ U → x ∥ r ⁡ R 1 ˙
56 55 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ U → x ∥ r ⁡ R 1 ˙
57 1 31 4 dvdsr2 ⊢ x ∈ B → x ∥ r ⁡ R 1 ˙ ↔ ∃ y ∈ B y · ˙ x = 1 ˙
58 57 biimpa ⊢ x ∈ B ∧ x ∥ r ⁡ R 1 ˙ → ∃ y ∈ B y · ˙ x = 1 ˙
59 54 56 58 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ U → ∃ y ∈ B y · ˙ x = 1 ˙
60 53 59 reximddv ⊢ φ ∧ x ∈ U → ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙
61 17 19 60 syl2anc ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ → ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙
62 61 ralrimiva ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ → ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙
63 16 62 jca ⊢ φ ∧ U = B ∖ 0 ˙ → 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙
64 1 5 unitss ⊢ U ⊆ B
65 64 a1i ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → U ⊆ B
66 6 adantr ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → R ∈ Ring
67 simprl ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → 1 ˙ ≠ 0 ˙
68 5 2 3 0unit ⊢ R ∈ Ring → 0 ˙ ∈ U ↔ 1 ˙ = 0 ˙
69 68 necon3bbid ⊢ R ∈ Ring → ¬ 0 ˙ ∈ U ↔ 1 ˙ ≠ 0 ˙
70 69 biimpar ⊢ R ∈ Ring ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ → ¬ 0 ˙ ∈ U
71 66 67 70 syl2anc ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → ¬ 0 ˙ ∈ U
72 ssdifsn ⊢ U ⊆ B ∖ 0 ˙ ↔ U ⊆ B ∧ ¬ 0 ˙ ∈ U
73 65 71 72 sylanbrc ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → U ⊆ B ∖ 0 ˙
74 simplr ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∧ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x ∈ B ∖ 0 ˙
75 74 eldifad ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∧ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x ∈ B
76 simpr ⊢ x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → y · ˙ x = 1 ˙
77 76 reximi ⊢ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → ∃ y ∈ B y · ˙ x = 1 ˙
78 77 adantl ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∧ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → ∃ y ∈ B y · ˙ x = 1 ˙
79 57 biimpar ⊢ x ∈ B ∧ ∃ y ∈ B y · ˙ x = 1 ˙ → x ∥ r ⁡ R 1 ˙
80 75 78 79 syl2anc ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∧ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x ∥ r ⁡ R 1 ˙
81 simpl ⊢ x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x · ˙ y = 1 ˙
82 81 reximi ⊢ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙
83 82 adantl ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∧ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙
84 83 43 sylibr ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∧ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → ∃ y ∈ B y ⋅ opp r ⁡ R x = 1 ˙
85 39 biimpar ⊢ x ∈ B ∧ ∃ y ∈ B y ⋅ opp r ⁡ R x = 1 ˙ → x ∥ r ⁡ opp r ⁡ R 1 ˙
86 75 84 85 syl2anc ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∧ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x ∥ r ⁡ opp r ⁡ R 1 ˙
87 80 86 34 sylanbrc ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∧ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x ∈ U
88 87 ex ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ x ∈ B ∖ 0 ˙ → ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → x ∈ U
89 88 ralimdva ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ → ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ x ∈ U
90 89 impr ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ x ∈ U
91 dfss3 ⊢ B ∖ 0 ˙ ⊆ U ↔ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ x ∈ U
92 90 91 sylibr ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → B ∖ 0 ˙ ⊆ U
93 73 92 eqssd ⊢ φ ∧ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙ → U = B ∖ 0 ˙
94 63 93 impbida ⊢ φ → U = B ∖ 0 ˙ ↔ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙
95 9 94 bitrd ⊢ φ → R ∈ DivRing ↔ 1 ˙ ≠ 0 ˙ ∧ ∀ x ∈ B ∖ 0 ˙ ∃ y ∈ B x · ˙ y = 1 ˙ ∧ y · ˙ x = 1 ˙