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Theorem prmirredlem

Description: A positive integer is irreducible over ZZ iff it is a prime number. (Contributed by Mario Carneiro, 5-Dec-2014) (Revised by AV, 10-Jun-2019)

Ref Expression
Hypothesis prmirred.i ⊢ I = Irred ⁡ ℤ ring
Assertion prmirredlem ⊢ A ∈ ℕ → A ∈ I ↔ A ∈ ℙ

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 prmirred.i ⊢ I = Irred ⁡ ℤ ring
2 zringring ⊢ ℤ ring ∈ Ring
3 zring1 ⊢ 1 = 1 ℤ ring
4 1 3 irredn1 ⊢ ℤ ring ∈ Ring ∧ A ∈ I → A ≠ 1
5 2 4 mpan ⊢ A ∈ I → A ≠ 1
6 5 anim2i ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I → A ∈ ℕ ∧ A ≠ 1
7 eluz2b3 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ↔ A ∈ ℕ ∧ A ≠ 1
8 6 7 sylibr ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I → A ∈ ℤ ≥ 2
9 nnz ⊢ y ∈ ℕ → y ∈ ℤ
10 9 ad2antrl ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∈ ℤ
11 simprr ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∥ A
12 nnne0 ⊢ y ∈ ℕ → y ≠ 0
13 12 ad2antrl ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ≠ 0
14 nnz ⊢ A ∈ ℕ → A ∈ ℤ
15 14 ad2antrr ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A ∈ ℤ
16 dvdsval2 ⊢ y ∈ ℤ ∧ y ≠ 0 ∧ A ∈ ℤ → y ∥ A ↔ A y ∈ ℤ
17 10 13 15 16 syl3anc ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∥ A ↔ A y ∈ ℤ
18 11 17 mpbid ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A y ∈ ℤ
19 15 zcnd ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A ∈ ℂ
20 nncn ⊢ y ∈ ℕ → y ∈ ℂ
21 20 ad2antrl ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∈ ℂ
22 19 21 13 divcan2d ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ⁢ A y = A
23 simplr ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A ∈ I
24 22 23 eqeltrd ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ⁢ A y ∈ I
25 zringbas ⊢ ℤ = Base ℤ ring
26 eqid ⊢ Unit ⁡ ℤ ring = Unit ⁡ ℤ ring
27 zringmulr ⊢ × = ⋅ ℤ ring
28 1 25 26 27 irredmul ⊢ y ∈ ℤ ∧ A y ∈ ℤ ∧ y ⁢ A y ∈ I → y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ∨ A y ∈ Unit ⁡ ℤ ring
29 10 18 24 28 syl3anc ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ∨ A y ∈ Unit ⁡ ℤ ring
30 zringunit ⊢ y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ y ∈ ℤ ∧ y = 1
31 30 baib ⊢ y ∈ ℤ → y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ y = 1
32 10 31 syl ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ y = 1
33 nnnn0 ⊢ y ∈ ℕ → y ∈ ℕ 0
34 nn0re ⊢ y ∈ ℕ 0 → y ∈ ℝ
35 nn0ge0 ⊢ y ∈ ℕ 0 → 0 ≤ y
36 34 35 absidd ⊢ y ∈ ℕ 0 → y = y
37 33 36 syl ⊢ y ∈ ℕ → y = y
38 37 ad2antrl ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y = y
39 38 eqeq1d ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y = 1 ↔ y = 1
40 32 39 bitrd ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ y = 1
41 zringunit ⊢ A y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ A y ∈ ℤ ∧ A y = 1
42 41 baib ⊢ A y ∈ ℤ → A y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ A y = 1
43 18 42 syl ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ A y = 1
44 nnre ⊢ A ∈ ℕ → A ∈ ℝ
45 44 ad2antrr ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A ∈ ℝ
46 simprl ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∈ ℕ
47 45 46 nndivred ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A y ∈ ℝ
48 nnnn0 ⊢ A ∈ ℕ → A ∈ ℕ 0
49 nn0ge0 ⊢ A ∈ ℕ 0 → 0 ≤ A
50 48 49 syl ⊢ A ∈ ℕ → 0 ≤ A
51 50 ad2antrr ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → 0 ≤ A
52 46 nnred ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∈ ℝ
53 nngt0 ⊢ y ∈ ℕ → 0 < y
54 53 ad2antrl ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → 0 < y
55 divge0 ⊢ A ∈ ℝ ∧ 0 ≤ A ∧ y ∈ ℝ ∧ 0 < y → 0 ≤ A y
56 45 51 52 54 55 syl22anc ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → 0 ≤ A y
57 47 56 absidd ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A y = A y
58 57 eqeq1d ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A y = 1 ↔ A y = 1
59 1cnd ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → 1 ∈ ℂ
60 19 21 59 13 divmuld ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A y = 1 ↔ y ⋅ 1 = A
61 21 mulridd ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ⋅ 1 = y
62 61 eqeq1d ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ⋅ 1 = A ↔ y = A
63 58 60 62 3bitrd ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A y = 1 ↔ y = A
64 43 63 bitrd ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → A y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ y = A
65 40 64 orbi12d ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ∨ A y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ y = 1 ∨ y = A
66 29 65 mpbid ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ ∧ y ∥ A → y = 1 ∨ y = A
67 66 expr ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I ∧ y ∈ ℕ → y ∥ A → y = 1 ∨ y = A
68 67 ralrimiva ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I → ∀ y ∈ ℕ y ∥ A → y = 1 ∨ y = A
69 isprm2 ⊢ A ∈ ℙ ↔ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ ∀ y ∈ ℕ y ∥ A → y = 1 ∨ y = A
70 8 68 69 sylanbrc ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ I → A ∈ ℙ
71 prmz ⊢ A ∈ ℙ → A ∈ ℤ
72 1nprm ⊢ ¬ 1 ∈ ℙ
73 zringunit ⊢ A ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ A ∈ ℤ ∧ A = 1
74 prmnn ⊢ A ∈ ℙ → A ∈ ℕ
75 nn0re ⊢ A ∈ ℕ 0 → A ∈ ℝ
76 75 49 absidd ⊢ A ∈ ℕ 0 → A = A
77 74 48 76 3syl ⊢ A ∈ ℙ → A = A
78 id ⊢ A ∈ ℙ → A ∈ ℙ
79 77 78 eqeltrd ⊢ A ∈ ℙ → A ∈ ℙ
80 eleq1 ⊢ A = 1 → A ∈ ℙ ↔ 1 ∈ ℙ
81 79 80 syl5ibcom ⊢ A ∈ ℙ → A = 1 → 1 ∈ ℙ
82 81 adantld ⊢ A ∈ ℙ → A ∈ ℤ ∧ A = 1 → 1 ∈ ℙ
83 73 82 biimtrid ⊢ A ∈ ℙ → A ∈ Unit ⁡ ℤ ring → 1 ∈ ℙ
84 72 83 mtoi ⊢ A ∈ ℙ → ¬ A ∈ Unit ⁡ ℤ ring
85 dvdsmul1 ⊢ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ → x ∥ x ⁢ y
86 85 ad2antlr ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∥ x ⁢ y
87 simpr ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ⁢ y = A
88 86 87 breqtrd ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∥ A
89 simplrl ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ ℤ
90 71 ad2antrr ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → A ∈ ℤ
91 absdvdsb ⊢ x ∈ ℤ ∧ A ∈ ℤ → x ∥ A ↔ x ∥ A
92 89 90 91 syl2anc ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∥ A ↔ x ∥ A
93 88 92 mpbid ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∥ A
94 breq1 ⊢ y = x → y ∥ A ↔ x ∥ A
95 eqeq1 ⊢ y = x → y = 1 ↔ x = 1
96 eqeq1 ⊢ y = x → y = A ↔ x = A
97 95 96 orbi12d ⊢ y = x → y = 1 ∨ y = A ↔ x = 1 ∨ x = A
98 94 97 imbi12d ⊢ y = x → y ∥ A → y = 1 ∨ y = A ↔ x ∥ A → x = 1 ∨ x = A
99 69 simprbi ⊢ A ∈ ℙ → ∀ y ∈ ℕ y ∥ A → y = 1 ∨ y = A
100 99 ad2antrr ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → ∀ y ∈ ℕ y ∥ A → y = 1 ∨ y = A
101 89 zcnd ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ ℂ
102 74 ad2antrr ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → A ∈ ℕ
103 102 nnne0d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → A ≠ 0
104 simplrr ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → y ∈ ℤ
105 104 zcnd ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → y ∈ ℂ
106 105 mul02d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → 0 ⋅ y = 0
107 103 87 106 3netr4d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ⁢ y ≠ 0 ⋅ y
108 oveq1 ⊢ x = 0 → x ⁢ y = 0 ⋅ y
109 108 necon3i ⊢ x ⁢ y ≠ 0 ⋅ y → x ≠ 0
110 107 109 syl ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ≠ 0
111 101 110 absne0d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ≠ 0
112 111 neneqd ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → ¬ x = 0
113 nn0abscl ⊢ x ∈ ℤ → x ∈ ℕ 0
114 89 113 syl ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ ℕ 0
115 elnn0 ⊢ x ∈ ℕ 0 ↔ x ∈ ℕ ∨ x = 0
116 114 115 sylib ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ ℕ ∨ x = 0
117 116 ord ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → ¬ x ∈ ℕ → x = 0
118 112 117 mt3d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ ℕ
119 98 100 118 rspcdva ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∥ A → x = 1 ∨ x = A
120 93 119 mpd ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x = 1 ∨ x = A
121 zringunit ⊢ x ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ x ∈ ℤ ∧ x = 1
122 121 baib ⊢ x ∈ ℤ → x ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ x = 1
123 89 122 syl ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ x = 1
124 104 31 syl ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ y = 1
125 105 abscld ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → y ∈ ℝ
126 125 recnd ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → y ∈ ℂ
127 1cnd ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → 1 ∈ ℂ
128 101 abscld ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ ℝ
129 128 recnd ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ ℂ
130 126 127 129 111 mulcand ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ⁢ y = x ⋅ 1 ↔ y = 1
131 87 fveq2d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ⁢ y = A
132 101 105 absmuld ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ⁢ y = x ⁢ y
133 77 ad2antrr ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → A = A
134 131 132 133 3eqtr3d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ⁢ y = A
135 129 mulridd ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ⋅ 1 = x
136 134 135 eqeq12d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ⁢ y = x ⋅ 1 ↔ A = x
137 eqcom ⊢ A = x ↔ x = A
138 136 137 bitrdi ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ⁢ y = x ⋅ 1 ↔ x = A
139 124 130 138 3bitr2d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ x = A
140 123 139 orbi12d ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ Unit ⁡ ℤ ring ∨ y ∈ Unit ⁡ ℤ ring ↔ x = 1 ∨ x = A
141 120 140 mpbird ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ x ⁢ y = A → x ∈ Unit ⁡ ℤ ring ∨ y ∈ Unit ⁡ ℤ ring
142 141 ex ⊢ A ∈ ℙ ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ → x ⁢ y = A → x ∈ Unit ⁡ ℤ ring ∨ y ∈ Unit ⁡ ℤ ring
143 142 ralrimivva ⊢ A ∈ ℙ → ∀ x ∈ ℤ ∀ y ∈ ℤ x ⁢ y = A → x ∈ Unit ⁡ ℤ ring ∨ y ∈ Unit ⁡ ℤ ring
144 25 26 1 27 isirred2 ⊢ A ∈ I ↔ A ∈ ℤ ∧ ¬ A ∈ Unit ⁡ ℤ ring ∧ ∀ x ∈ ℤ ∀ y ∈ ℤ x ⁢ y = A → x ∈ Unit ⁡ ℤ ring ∨ y ∈ Unit ⁡ ℤ ring
145 71 84 143 144 syl3anbrc ⊢ A ∈ ℙ → A ∈ I
146 145 adantl ⊢ A ∈ ℕ ∧ A ∈ ℙ → A ∈ I
147 70 146 impbida ⊢ A ∈ ℕ → A ∈ I ↔ A ∈ ℙ