Metamath Proof Explorer


Theorem lgseisen

Description: Eisenstein's lemma, an expression for ( P /L Q ) when P , Q are distinct odd primes. (Contributed by Mario Carneiro, 18-Jun-2015)

Ref Expression
Hypotheses lgseisen.1 ⊢ φ → P ∈ ℙ ∖ 2
lgseisen.2 ⊢ φ → Q ∈ ℙ ∖ 2
lgseisen.3 ⊢ φ → P ≠ Q
Assertion lgseisen ⊢ φ → Q / L P = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lgseisen.1 ⊢ φ → P ∈ ℙ ∖ 2
2 lgseisen.2 ⊢ φ → Q ∈ ℙ ∖ 2
3 lgseisen.3 ⊢ φ → P ≠ Q
4 2 eldifad ⊢ φ → Q ∈ ℙ
5 prmz ⊢ Q ∈ ℙ → Q ∈ ℤ
6 4 5 syl ⊢ φ → Q ∈ ℤ
7 lgsval3 ⊢ Q ∈ ℤ ∧ P ∈ ℙ ∖ 2 → Q / L P = Q P − 1 2 + 1 mod P − 1
8 6 1 7 syl2anc ⊢ φ → Q / L P = Q P − 1 2 + 1 mod P − 1
9 2 gausslemma2dlem0a ⊢ φ → Q ∈ ℕ
10 oddprm ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 2 ∈ ℕ
11 1 10 syl ⊢ φ → P − 1 2 ∈ ℕ
12 11 nnnn0d ⊢ φ → P − 1 2 ∈ ℕ 0
13 9 12 nnexpcld ⊢ φ → Q P − 1 2 ∈ ℕ
14 13 nnred ⊢ φ → Q P − 1 2 ∈ ℝ
15 neg1rr ⊢ − 1 ∈ ℝ
16 15 a1i ⊢ φ → − 1 ∈ ℝ
17 neg1ne0 ⊢ − 1 ≠ 0
18 17 a1i ⊢ φ → − 1 ≠ 0
19 fzfid ⊢ φ → 1 … P − 1 2 ∈ Fin
20 9 nnred ⊢ φ → Q ∈ ℝ
21 1 gausslemma2dlem0a ⊢ φ → P ∈ ℕ
22 20 21 nndivred ⊢ φ → Q P ∈ ℝ
23 22 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ 1 … P − 1 2 → Q P ∈ ℝ
24 2re ⊢ 2 ∈ ℝ
25 elfznn ⊢ x ∈ 1 … P − 1 2 → x ∈ ℕ
26 25 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ 1 … P − 1 2 → x ∈ ℕ
27 26 nnred ⊢ φ ∧ x ∈ 1 … P − 1 2 → x ∈ ℝ
28 remulcl ⊢ 2 ∈ ℝ ∧ x ∈ ℝ → 2 ⁢ x ∈ ℝ
29 24 27 28 sylancr ⊢ φ ∧ x ∈ 1 … P − 1 2 → 2 ⁢ x ∈ ℝ
30 23 29 remulcld ⊢ φ ∧ x ∈ 1 … P − 1 2 → Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℝ
31 30 flcld ⊢ φ ∧ x ∈ 1 … P − 1 2 → Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℤ
32 19 31 fsumzcl ⊢ φ → ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℤ
33 16 18 32 reexpclzd ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℝ
34 1re ⊢ 1 ∈ ℝ
35 34 a1i ⊢ φ → 1 ∈ ℝ
36 21 nnrpd ⊢ φ → P ∈ ℝ +
37 eqid ⊢ Q ⁢ 2 ⁢ x mod P = Q ⁢ 2 ⁢ x mod P
38 eqid ⊢ x ∈ 1 … P − 1 2 ⟼ − 1 Q ⁢ 2 ⁢ x mod P ⁢ Q ⁢ 2 ⁢ x mod P mod P 2 = x ∈ 1 … P − 1 2 ⟼ − 1 Q ⁢ 2 ⁢ x mod P ⁢ Q ⁢ 2 ⁢ x mod P mod P 2
39 eqid ⊢ Q ⁢ 2 ⁢ y mod P = Q ⁢ 2 ⁢ y mod P
40 eqid ⊢ ℤ/Pℤ = ℤ/Pℤ
41 eqid ⊢ mulGrp ℤ/Pℤ = mulGrp ℤ/Pℤ
42 eqid ⊢ ℤRHom ⁡ ℤ/Pℤ = ℤRHom ⁡ ℤ/Pℤ
43 1 2 3 37 38 39 40 41 42 lgseisenlem4 ⊢ φ → Q P − 1 2 mod P = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x mod P
44 modadd1 ⊢ Q P − 1 2 ∈ ℝ ∧ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ ∧ P ∈ ℝ + ∧ Q P − 1 2 mod P = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x mod P → Q P − 1 2 + 1 mod P = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 mod P
45 14 33 35 36 43 44 syl221anc ⊢ φ → Q P − 1 2 + 1 mod P = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 mod P
46 peano2re ⊢ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℝ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 ∈ ℝ
47 33 46 syl ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 ∈ ℝ
48 df-neg ⊢ − 1 = 0 − 1
49 neg1cn ⊢ − 1 ∈ ℂ
50 absexpz ⊢ − 1 ∈ ℂ ∧ − 1 ≠ 0 ∧ ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℤ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x
51 49 17 32 50 mp3an12i ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x
52 ax-1cn ⊢ 1 ∈ ℂ
53 52 absnegi ⊢ − 1 = 1
54 abs1 ⊢ 1 = 1
55 53 54 eqtri ⊢ − 1 = 1
56 55 oveq1i ⊢ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x = 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x
57 1exp ⊢ ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℤ → 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x = 1
58 32 57 syl ⊢ φ → 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x = 1
59 56 58 eqtrid ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x = 1
60 51 59 eqtrd ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x = 1
61 1le1 ⊢ 1 ≤ 1
62 60 61 eqbrtrdi ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ≤ 1
63 absle ⊢ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ≤ 1 ↔ − 1 ≤ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∧ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ≤ 1
64 33 34 63 sylancl ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ≤ 1 ↔ − 1 ≤ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∧ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ≤ 1
65 62 64 mpbid ⊢ φ → − 1 ≤ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∧ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ≤ 1
66 65 simpld ⊢ φ → − 1 ≤ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x
67 48 66 eqbrtrrid ⊢ φ → 0 − 1 ≤ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x
68 0red ⊢ φ → 0 ∈ ℝ
69 68 35 33 lesubaddd ⊢ φ → 0 − 1 ≤ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ↔ 0 ≤ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1
70 67 69 mpbid ⊢ φ → 0 ≤ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1
71 21 nnred ⊢ φ → P ∈ ℝ
72 peano2rem ⊢ P ∈ ℝ → P − 1 ∈ ℝ
73 71 72 syl ⊢ φ → P − 1 ∈ ℝ
74 65 simprd ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ≤ 1
75 df-2 ⊢ 2 = 1 + 1
76 24 a1i ⊢ φ → 2 ∈ ℝ
77 1 eldifad ⊢ φ → P ∈ ℙ
78 prmuz2 ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℤ ≥ 2
79 eluzle ⊢ P ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ≤ P
80 77 78 79 3syl ⊢ φ → 2 ≤ P
81 eldifsni ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ≠ 2
82 1 81 syl ⊢ φ → P ≠ 2
83 76 71 80 82 leneltd ⊢ φ → 2 < P
84 75 83 eqbrtrrid ⊢ φ → 1 + 1 < P
85 35 35 71 ltaddsubd ⊢ φ → 1 + 1 < P ↔ 1 < P − 1
86 84 85 mpbid ⊢ φ → 1 < P − 1
87 33 35 73 74 86 lelttrd ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x < P − 1
88 33 35 71 ltaddsubd ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 < P ↔ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x < P − 1
89 87 88 mpbird ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 < P
90 modid ⊢ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 ∈ ℝ ∧ P ∈ ℝ + ∧ 0 ≤ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 ∧ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 < P → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 mod P = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1
91 47 36 70 89 90 syl22anc ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 mod P = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1
92 45 91 eqtrd ⊢ φ → Q P − 1 2 + 1 mod P = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1
93 92 oveq1d ⊢ φ → Q P − 1 2 + 1 mod P − 1 = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 - 1
94 33 recnd ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℂ
95 pncan ⊢ − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 - 1 = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x
96 94 52 95 sylancl ⊢ φ → − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x + 1 - 1 = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x
97 93 96 eqtrd ⊢ φ → Q P − 1 2 + 1 mod P − 1 = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x
98 8 97 eqtrd ⊢ φ → Q / L P = − 1 ∑ x = 1 P − 1 2 Q P ⁢ 2 ⁢ x