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Theorem qbtwnre

Description: The rational numbers are dense in RR : any two real numbers have a rational between them. Exercise 6 of Apostol p. 28. (Contributed by NM, 18-Nov-2004) (Proof shortened by Mario Carneiro, 13-Jun-2014)

Ref Expression
Assertion qbtwnre ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ A < B → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 posdif ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ → A < B ↔ 0 < B − A
2 resubcl ⊢ B ∈ ℝ ∧ A ∈ ℝ → B − A ∈ ℝ
3 nnrecl ⊢ B − A ∈ ℝ ∧ 0 < B − A → ∃ y ∈ ℕ 1 y < B − A
4 2 3 sylan ⊢ B ∈ ℝ ∧ A ∈ ℝ ∧ 0 < B − A → ∃ y ∈ ℕ 1 y < B − A
5 4 ex ⊢ B ∈ ℝ ∧ A ∈ ℝ → 0 < B − A → ∃ y ∈ ℕ 1 y < B − A
6 5 ancoms ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ → 0 < B − A → ∃ y ∈ ℕ 1 y < B − A
7 1 6 sylbid ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ → A < B → ∃ y ∈ ℕ 1 y < B − A
8 nnre ⊢ y ∈ ℕ → y ∈ ℝ
9 8 adantl ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ → y ∈ ℝ
10 simplr ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ → B ∈ ℝ
11 9 10 remulcld ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ → y ⁢ B ∈ ℝ
12 peano2rem ⊢ y ⁢ B ∈ ℝ → y ⁢ B − 1 ∈ ℝ
13 11 12 syl ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ → y ⁢ B − 1 ∈ ℝ
14 zbtwnre ⊢ y ⁢ B − 1 ∈ ℝ → ∃! z ∈ ℤ y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1
15 reurex ⊢ ∃! z ∈ ℤ y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1 → ∃ z ∈ ℤ y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1
16 13 14 15 3syl ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ → ∃ z ∈ ℤ y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1
17 znq ⊢ z ∈ ℤ ∧ y ∈ ℕ → z y ∈ ℚ
18 17 ancoms ⊢ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → z y ∈ ℚ
19 18 adantl ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → z y ∈ ℚ
20 an32 ⊢ y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1 ∧ 1 y < B − A ↔ y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ 1 y < B − A ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1
21 8 ad2antrl ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ∈ ℝ
22 simpll ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → A ∈ ℝ
23 21 22 remulcld ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ A ∈ ℝ
24 13 adantrr ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B − 1 ∈ ℝ
25 zre ⊢ z ∈ ℤ → z ∈ ℝ
26 25 ad2antll ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → z ∈ ℝ
27 ltletr ⊢ y ⁢ A ∈ ℝ ∧ y ⁢ B − 1 ∈ ℝ ∧ z ∈ ℝ → y ⁢ A < y ⁢ B − 1 ∧ y ⁢ B − 1 ≤ z → y ⁢ A < z
28 23 24 26 27 syl3anc ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ A < y ⁢ B − 1 ∧ y ⁢ B − 1 ≤ z → y ⁢ A < z
29 21 recnd ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ∈ ℂ
30 simplr ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → B ∈ ℝ
31 30 recnd ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → B ∈ ℂ
32 22 recnd ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → A ∈ ℂ
33 29 31 32 subdid ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B − A = y ⁢ B − y ⁢ A
34 33 breq2d ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → 1 < y ⁢ B − A ↔ 1 < y ⁢ B − y ⁢ A
35 1red ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → 1 ∈ ℝ
36 30 22 resubcld ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → B − A ∈ ℝ
37 nngt0 ⊢ y ∈ ℕ → 0 < y
38 37 ad2antrl ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → 0 < y
39 ltdivmul ⊢ 1 ∈ ℝ ∧ B − A ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ ∧ 0 < y → 1 y < B − A ↔ 1 < y ⁢ B − A
40 35 36 21 38 39 syl112anc ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → 1 y < B − A ↔ 1 < y ⁢ B − A
41 11 adantrr ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B ∈ ℝ
42 ltsub13 ⊢ y ⁢ A ∈ ℝ ∧ y ⁢ B ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ → y ⁢ A < y ⁢ B − 1 ↔ 1 < y ⁢ B − y ⁢ A
43 23 41 35 42 syl3anc ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ A < y ⁢ B − 1 ↔ 1 < y ⁢ B − y ⁢ A
44 34 40 43 3bitr4rd ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ A < y ⁢ B − 1 ↔ 1 y < B − A
45 44 anbi1d ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ A < y ⁢ B − 1 ∧ y ⁢ B − 1 ≤ z ↔ 1 y < B − A ∧ y ⁢ B − 1 ≤ z
46 45 biancomd ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ A < y ⁢ B − 1 ∧ y ⁢ B − 1 ≤ z ↔ y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ 1 y < B − A
47 ltmuldiv2 ⊢ A ∈ ℝ ∧ z ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ ∧ 0 < y → y ⁢ A < z ↔ A < z y
48 22 26 21 38 47 syl112anc ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ A < z ↔ A < z y
49 28 46 48 3imtr3d ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ 1 y < B − A → A < z y
50 41 recnd ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B ∈ ℂ
51 ax-1cn ⊢ 1 ∈ ℂ
52 npcan ⊢ y ⁢ B ∈ ℂ ∧ 1 ∈ ℂ → y ⁢ B - 1 + 1 = y ⁢ B
53 50 51 52 sylancl ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B - 1 + 1 = y ⁢ B
54 53 breq2d ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → z < y ⁢ B - 1 + 1 ↔ z < y ⁢ B
55 ltdivmul ⊢ z ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ ∧ 0 < y → z y < B ↔ z < y ⁢ B
56 26 30 21 38 55 syl112anc ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → z y < B ↔ z < y ⁢ B
57 54 56 bitr4d ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → z < y ⁢ B - 1 + 1 ↔ z y < B
58 57 biimpd ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → z < y ⁢ B - 1 + 1 → z y < B
59 49 58 anim12d ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ 1 y < B − A ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1 → A < z y ∧ z y < B
60 20 59 biimtrid ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1 ∧ 1 y < B − A → A < z y ∧ z y < B
61 breq2 ⊢ x = z y → A < x ↔ A < z y
62 breq1 ⊢ x = z y → x < B ↔ z y < B
63 61 62 anbi12d ⊢ x = z y → A < x ∧ x < B ↔ A < z y ∧ z y < B
64 63 rspcev ⊢ z y ∈ ℚ ∧ A < z y ∧ z y < B → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B
65 19 60 64 syl6an ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1 ∧ 1 y < B − A → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B
66 65 expd ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℤ → y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1 → 1 y < B − A → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B
67 66 expr ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ → z ∈ ℤ → y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1 → 1 y < B − A → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B
68 67 rexlimdv ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ → ∃ z ∈ ℤ y ⁢ B − 1 ≤ z ∧ z < y ⁢ B - 1 + 1 → 1 y < B − A → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B
69 16 68 mpd ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ y ∈ ℕ → 1 y < B − A → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B
70 69 rexlimdva ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ → ∃ y ∈ ℕ 1 y < B − A → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B
71 7 70 syld ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ → A < B → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B
72 71 3impia ⊢ A ∈ ℝ ∧ B ∈ ℝ ∧ A < B → ∃ x ∈ ℚ A < x ∧ x < B