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Theorem prmreclem2

Description: Lemma for prmrec . There are at most 2 ^ K squarefree numbers which divide no primes larger than K . (We could strengthen this to 2 ^ # ( Prime i^i ( 1 ... K ) ) but there's no reason to.) We establish the inequality by showing that the prime counts of the number up to K completely determine it because all higher prime counts are zero, and they are all at most 1 because no square divides the number, so there are at most 2 ^ K possibilities. (Contributed by Mario Carneiro, 5-Aug-2014)

Ref Expression
Hypotheses prmrec.1 F = n if n 1 n 0
prmrec.2 φ K
prmrec.3 φ N
prmrec.4 M = n 1 N | p 1 K ¬ p n
prmreclem2.5 Q = n sup r | r 2 n <
Assertion prmreclem2 φ x M | Q x = 1 2 K

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 prmrec.1 F = n if n 1 n 0
2 prmrec.2 φ K
3 prmrec.3 φ N
4 prmrec.4 M = n 1 N | p 1 K ¬ p n
5 prmreclem2.5 Q = n sup r | r 2 n <
6 ovex 0 1 1 K V
7 fveqeq2 x = y Q x = 1 Q y = 1
8 7 elrab y x M | Q x = 1 y M Q y = 1
9 4 ssrab3 M 1 N
10 simprl φ y M Q y = 1 y M
11 10 ad2antrr φ y M Q y = 1 n 1 K n y M
12 9 11 sseldi φ y M Q y = 1 n 1 K n y 1 N
13 elfznn y 1 N y
14 12 13 syl φ y M Q y = 1 n 1 K n y
15 simpr φ y M Q y = 1 n 1 K n n
16 prmuz2 n n 2
17 15 16 syl φ y M Q y = 1 n 1 K n n 2
18 5 prmreclem1 y Q y Q y 2 y n 2 ¬ n 2 y Q y 2
19 18 simp3d y n 2 ¬ n 2 y Q y 2
20 14 17 19 sylc φ y M Q y = 1 n 1 K n ¬ n 2 y Q y 2
21 simprr φ y M Q y = 1 Q y = 1
22 21 ad2antrr φ y M Q y = 1 n 1 K n Q y = 1
23 22 oveq1d φ y M Q y = 1 n 1 K n Q y 2 = 1 2
24 sq1 1 2 = 1
25 23 24 eqtrdi φ y M Q y = 1 n 1 K n Q y 2 = 1
26 25 oveq2d φ y M Q y = 1 n 1 K n y Q y 2 = y 1
27 14 nncnd φ y M Q y = 1 n 1 K n y
28 27 div1d φ y M Q y = 1 n 1 K n y 1 = y
29 26 28 eqtrd φ y M Q y = 1 n 1 K n y Q y 2 = y
30 29 breq2d φ y M Q y = 1 n 1 K n n 2 y Q y 2 n 2 y
31 14 nnzd φ y M Q y = 1 n 1 K n y
32 2nn0 2 0
33 32 a1i φ y M Q y = 1 n 1 K n 2 0
34 pcdvdsb n y 2 0 2 n pCnt y n 2 y
35 15 31 33 34 syl3anc φ y M Q y = 1 n 1 K n 2 n pCnt y n 2 y
36 30 35 bitr4d φ y M Q y = 1 n 1 K n n 2 y Q y 2 2 n pCnt y
37 20 36 mtbid φ y M Q y = 1 n 1 K n ¬ 2 n pCnt y
38 15 14 pccld φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y 0
39 38 nn0red φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y
40 2re 2
41 ltnle n pCnt y 2 n pCnt y < 2 ¬ 2 n pCnt y
42 39 40 41 sylancl φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y < 2 ¬ 2 n pCnt y
43 37 42 mpbird φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y < 2
44 df-2 2 = 1 + 1
45 43 44 breqtrdi φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y < 1 + 1
46 38 nn0zd φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y
47 1z 1
48 zleltp1 n pCnt y 1 n pCnt y 1 n pCnt y < 1 + 1
49 46 47 48 sylancl φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y 1 n pCnt y < 1 + 1
50 45 49 mpbird φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y 1
51 nn0uz 0 = 0
52 38 51 eleqtrdi φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y 0
53 elfz5 n pCnt y 0 1 n pCnt y 0 1 n pCnt y 1
54 52 47 53 sylancl φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y 0 1 n pCnt y 1
55 50 54 mpbird φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y 0 1
56 0z 0
57 fzpr 0 0 0 + 1 = 0 0 + 1
58 56 57 ax-mp 0 0 + 1 = 0 0 + 1
59 1e0p1 1 = 0 + 1
60 59 oveq2i 0 1 = 0 0 + 1
61 59 preq2i 0 1 = 0 0 + 1
62 58 60 61 3eqtr4i 0 1 = 0 1
63 55 62 eleqtrdi φ y M Q y = 1 n 1 K n n pCnt y 0 1
64 c0ex 0 V
65 64 prid1 0 0 1
66 65 a1i φ y M Q y = 1 n 1 K ¬ n 0 0 1
67 63 66 ifclda φ y M Q y = 1 n 1 K if n n pCnt y 0 0 1
68 67 fmpttd φ y M Q y = 1 n 1 K if n n pCnt y 0 : 1 K 0 1
69 prex 0 1 V
70 ovex 1 K V
71 69 70 elmap n 1 K if n n pCnt y 0 0 1 1 K n 1 K if n n pCnt y 0 : 1 K 0 1
72 68 71 sylibr φ y M Q y = 1 n 1 K if n n pCnt y 0 0 1 1 K
73 72 ex φ y M Q y = 1 n 1 K if n n pCnt y 0 0 1 1 K
74 8 73 syl5bi φ y x M | Q x = 1 n 1 K if n n pCnt y 0 0 1 1 K
75 fveqeq2 x = z Q x = 1 Q z = 1
76 75 elrab z x M | Q x = 1 z M Q z = 1
77 8 76 anbi12i y x M | Q x = 1 z x M | Q x = 1 y M Q y = 1 z M Q z = 1
78 ovex n pCnt y V
79 78 64 ifex if n n pCnt y 0 V
80 eqid n 1 K if n n pCnt y 0 = n 1 K if n n pCnt y 0
81 79 80 fnmpti n 1 K if n n pCnt y 0 Fn 1 K
82 ovex n pCnt z V
83 82 64 ifex if n n pCnt z 0 V
84 eqid n 1 K if n n pCnt z 0 = n 1 K if n n pCnt z 0
85 83 84 fnmpti n 1 K if n n pCnt z 0 Fn 1 K
86 eqfnfv n 1 K if n n pCnt y 0 Fn 1 K n 1 K if n n pCnt z 0 Fn 1 K n 1 K if n n pCnt y 0 = n 1 K if n n pCnt z 0 p 1 K n 1 K if n n pCnt y 0 p = n 1 K if n n pCnt z 0 p
87 81 85 86 mp2an n 1 K if n n pCnt y 0 = n 1 K if n n pCnt z 0 p 1 K n 1 K if n n pCnt y 0 p = n 1 K if n n pCnt z 0 p
88 eleq1w n = p n p
89 oveq1 n = p n pCnt y = p pCnt y
90 88 89 ifbieq1d n = p if n n pCnt y 0 = if p p pCnt y 0
91 ovex p pCnt y V
92 91 64 ifex if p p pCnt y 0 V
93 90 80 92 fvmpt p 1 K n 1 K if n n pCnt y 0 p = if p p pCnt y 0
94 oveq1 n = p n pCnt z = p pCnt z
95 88 94 ifbieq1d n = p if n n pCnt z 0 = if p p pCnt z 0
96 ovex p pCnt z V
97 96 64 ifex if p p pCnt z 0 V
98 95 84 97 fvmpt p 1 K n 1 K if n n pCnt z 0 p = if p p pCnt z 0
99 93 98 eqeq12d p 1 K n 1 K if n n pCnt y 0 p = n 1 K if n n pCnt z 0 p if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
100 99 ralbiia p 1 K n 1 K if n n pCnt y 0 p = n 1 K if n n pCnt z 0 p p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
101 87 100 bitri n 1 K if n n pCnt y 0 = n 1 K if n n pCnt z 0 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
102 simprll φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 y M
103 breq2 n = y p n p y
104 103 notbid n = y ¬ p n ¬ p y
105 104 ralbidv n = y p 1 K ¬ p n p 1 K ¬ p y
106 105 4 elrab2 y M y 1 N p 1 K ¬ p y
107 106 simprbi y M p 1 K ¬ p y
108 102 107 syl φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K ¬ p y
109 simprrl φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 z M
110 breq2 n = z p n p z
111 110 notbid n = z ¬ p n ¬ p z
112 111 ralbidv n = z p 1 K ¬ p n p 1 K ¬ p z
113 112 4 elrab2 z M z 1 N p 1 K ¬ p z
114 113 simprbi z M p 1 K ¬ p z
115 109 114 syl φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K ¬ p z
116 r19.26 p 1 K ¬ p y ¬ p z p 1 K ¬ p y p 1 K ¬ p z
117 eldifi p 1 K p
118 fz1ssnn 1 N
119 9 118 sstri M
120 119 102 sseldi φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 y
121 pceq0 p y p pCnt y = 0 ¬ p y
122 117 120 121 syl2anr φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K p pCnt y = 0 ¬ p y
123 119 109 sseldi φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 z
124 pceq0 p z p pCnt z = 0 ¬ p z
125 117 123 124 syl2anr φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K p pCnt z = 0 ¬ p z
126 122 125 anbi12d φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K p pCnt y = 0 p pCnt z = 0 ¬ p y ¬ p z
127 eqtr3 p pCnt y = 0 p pCnt z = 0 p pCnt y = p pCnt z
128 126 127 syl6bir φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K ¬ p y ¬ p z p pCnt y = p pCnt z
129 128 ralimdva φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K ¬ p y ¬ p z p 1 K p pCnt y = p pCnt z
130 116 129 syl5bir φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K ¬ p y p 1 K ¬ p z p 1 K p pCnt y = p pCnt z
131 108 115 130 mp2and φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K p pCnt y = p pCnt z
132 131 biantrud φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K p pCnt y = p pCnt z p 1 K p pCnt y = p pCnt z p 1 K p pCnt y = p pCnt z
133 incom 1 K = 1 K
134 133 uneq1i 1 K 1 K = 1 K 1 K
135 inundif 1 K 1 K = 1 K
136 134 135 eqtri 1 K 1 K = 1 K
137 136 raleqi p 1 K 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
138 ralunb p 1 K 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
139 137 138 bitr3i p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
140 eldifn p 1 K ¬ p
141 iffalse ¬ p if p p pCnt y 0 = 0
142 iffalse ¬ p if p p pCnt z 0 = 0
143 141 142 eqtr4d ¬ p if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
144 140 143 syl p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
145 144 rgen p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
146 145 biantru p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0
147 elinel1 p 1 K p
148 iftrue p if p p pCnt y 0 = p pCnt y
149 iftrue p if p p pCnt z 0 = p pCnt z
150 148 149 eqeq12d p if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p pCnt y = p pCnt z
151 147 150 syl p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p pCnt y = p pCnt z
152 151 ralbiia p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K p pCnt y = p pCnt z
153 146 152 bitr3i p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K p pCnt y = p pCnt z
154 139 153 bitri p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p 1 K p pCnt y = p pCnt z
155 inundif 1 K 1 K =
156 155 raleqi p 1 K 1 K p pCnt y = p pCnt z p p pCnt y = p pCnt z
157 ralunb p 1 K 1 K p pCnt y = p pCnt z p 1 K p pCnt y = p pCnt z p 1 K p pCnt y = p pCnt z
158 156 157 bitr3i p p pCnt y = p pCnt z p 1 K p pCnt y = p pCnt z p 1 K p pCnt y = p pCnt z
159 132 154 158 3bitr4g φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 p p pCnt y = p pCnt z
160 120 nnnn0d φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 y 0
161 123 nnnn0d φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 z 0
162 pc11 y 0 z 0 y = z p p pCnt y = p pCnt z
163 160 161 162 syl2anc φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 y = z p p pCnt y = p pCnt z
164 159 163 bitr4d φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 p 1 K if p p pCnt y 0 = if p p pCnt z 0 y = z
165 101 164 syl5bb φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 n 1 K if n n pCnt y 0 = n 1 K if n n pCnt z 0 y = z
166 165 ex φ y M Q y = 1 z M Q z = 1 n 1 K if n n pCnt y 0 = n 1 K if n n pCnt z 0 y = z
167 77 166 syl5bi φ y x M | Q x = 1 z x M | Q x = 1 n 1 K if n n pCnt y 0 = n 1 K if n n pCnt z 0 y = z
168 74 167 dom2d φ 0 1 1 K V x M | Q x = 1 0 1 1 K
169 6 168 mpi φ x M | Q x = 1 0 1 1 K
170 fzfi 1 N Fin
171 ssrab2 n 1 N | p 1 K ¬ p n 1 N
172 ssfi 1 N Fin n 1 N | p 1 K ¬ p n 1 N n 1 N | p 1 K ¬ p n Fin
173 170 171 172 mp2an n 1 N | p 1 K ¬ p n Fin
174 4 173 eqeltri M Fin
175 ssrab2 x M | Q x = 1 M
176 ssfi M Fin x M | Q x = 1 M x M | Q x = 1 Fin
177 174 175 176 mp2an x M | Q x = 1 Fin
178 prfi 0 1 Fin
179 fzfid φ 1 K Fin
180 mapfi 0 1 Fin 1 K Fin 0 1 1 K Fin
181 178 179 180 sylancr φ 0 1 1 K Fin
182 hashdom x M | Q x = 1 Fin 0 1 1 K Fin x M | Q x = 1 0 1 1 K x M | Q x = 1 0 1 1 K
183 177 181 182 sylancr φ x M | Q x = 1 0 1 1 K x M | Q x = 1 0 1 1 K
184 169 183 mpbird φ x M | Q x = 1 0 1 1 K
185 hashmap 0 1 Fin 1 K Fin 0 1 1 K = 0 1 1 K
186 178 179 185 sylancr φ 0 1 1 K = 0 1 1 K
187 prhash2ex 0 1 = 2
188 187 a1i φ 0 1 = 2
189 2 nnnn0d φ K 0
190 hashfz1 K 0 1 K = K
191 189 190 syl φ 1 K = K
192 188 191 oveq12d φ 0 1 1 K = 2 K
193 186 192 eqtrd φ 0 1 1 K = 2 K
194 184 193 breqtrd φ x M | Q x = 1 2 K