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Theorem requad01

Description: A condition for a quadratic equation with real coefficients to have (at least) one real solution. (Contributed by AV, 23-Jan-2023)

Ref Expression
Hypotheses requad2.a ⊢ φ → A ∈ ℝ
requad2.z ⊢ φ → A ≠ 0
requad2.b ⊢ φ → B ∈ ℝ
requad2.c ⊢ φ → C ∈ ℝ
requad2.d ⊢ φ → D = B 2 − 4 ⁢ A ⁢ C
Assertion requad01 ⊢ φ → ∃ x ∈ ℝ A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = 0 ↔ 0 ≤ D

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 requad2.a ⊢ φ → A ∈ ℝ
2 requad2.z ⊢ φ → A ≠ 0
3 requad2.b ⊢ φ → B ∈ ℝ
4 requad2.c ⊢ φ → C ∈ ℝ
5 requad2.d ⊢ φ → D = B 2 − 4 ⁢ A ⁢ C
6 1 recnd ⊢ φ → A ∈ ℂ
7 6 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → A ∈ ℂ
8 2 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → A ≠ 0
9 3 recnd ⊢ φ → B ∈ ℂ
10 9 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → B ∈ ℂ
11 4 recnd ⊢ φ → C ∈ ℂ
12 11 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → C ∈ ℂ
13 recn ⊢ x ∈ ℝ → x ∈ ℂ
14 13 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → x ∈ ℂ
15 5 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → D = B 2 − 4 ⁢ A ⁢ C
16 7 8 10 12 14 15 quad ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = 0 ↔ x = - B + D 2 ⁢ A ∨ x = - B - D 2 ⁢ A
17 eleq1 ⊢ x = - B + D 2 ⁢ A → x ∈ ℝ ↔ - B + D 2 ⁢ A ∈ ℝ
18 17 adantl ⊢ φ ∧ x = - B + D 2 ⁢ A → x ∈ ℝ ↔ - B + D 2 ⁢ A ∈ ℝ
19 2re ⊢ 2 ∈ ℝ
20 19 a1i ⊢ φ → 2 ∈ ℝ
21 20 1 remulcld ⊢ φ → 2 ⁢ A ∈ ℝ
22 21 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → 2 ⁢ A ∈ ℝ
23 9 negcld ⊢ φ → − B ∈ ℂ
24 3 resqcld ⊢ φ → B 2 ∈ ℝ
25 4re ⊢ 4 ∈ ℝ
26 25 a1i ⊢ φ → 4 ∈ ℝ
27 1 4 remulcld ⊢ φ → A ⁢ C ∈ ℝ
28 26 27 remulcld ⊢ φ → 4 ⁢ A ⁢ C ∈ ℝ
29 24 28 resubcld ⊢ φ → B 2 − 4 ⁢ A ⁢ C ∈ ℝ
30 5 29 eqeltrd ⊢ φ → D ∈ ℝ
31 30 recnd ⊢ φ → D ∈ ℂ
32 31 sqrtcld ⊢ φ → D ∈ ℂ
33 23 32 addcld ⊢ φ → - B + D ∈ ℂ
34 33 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → - B + D ∈ ℂ
35 3 renegcld ⊢ φ → − B ∈ ℝ
36 35 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → − B ∈ ℝ
37 32 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → D ∈ ℂ
38 31 negnegd ⊢ φ → − − D = D
39 38 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → − − D = D
40 39 eqcomd ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → D = − − D
41 40 fveq2d ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → D = − − D
42 30 renegcld ⊢ φ → − D ∈ ℝ
43 42 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → − D ∈ ℝ
44 0red ⊢ φ → 0 ∈ ℝ
45 30 44 ltnled ⊢ φ → D < 0 ↔ ¬ 0 ≤ D
46 ltle ⊢ D ∈ ℝ ∧ 0 ∈ ℝ → D < 0 → D ≤ 0
47 30 44 46 syl2anc ⊢ φ → D < 0 → D ≤ 0
48 45 47 sylbird ⊢ φ → ¬ 0 ≤ D → D ≤ 0
49 48 imp ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → D ≤ 0
50 30 le0neg1d ⊢ φ → D ≤ 0 ↔ 0 ≤ − D
51 50 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → D ≤ 0 ↔ 0 ≤ − D
52 49 51 mpbid ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → 0 ≤ − D
53 43 52 sqrtnegd ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → − − D = i ⁢ − D
54 41 53 eqtrd ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → D = i ⁢ − D
55 ax-icn ⊢ i ∈ ℂ
56 55 a1i ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → i ∈ ℂ
57 31 negcld ⊢ φ → − D ∈ ℂ
58 57 sqrtcld ⊢ φ → − D ∈ ℂ
59 58 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → − D ∈ ℂ
60 56 59 mulcomd ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → i ⁢ − D = − D ⁢ i
61 43 52 resqrtcld ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → − D ∈ ℝ
62 inelr ⊢ ¬ i ∈ ℝ
63 eldif ⊢ i ∈ ℂ ∖ ℝ ↔ i ∈ ℂ ∧ ¬ i ∈ ℝ
64 55 62 63 mpbir2an ⊢ i ∈ ℂ ∖ ℝ
65 64 a1i ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → i ∈ ℂ ∖ ℝ
66 30 lt0neg1d ⊢ φ → D < 0 ↔ 0 < − D
67 ltne ⊢ 0 ∈ ℝ ∧ 0 < − D → − D ≠ 0
68 44 67 sylan ⊢ φ ∧ 0 < − D → − D ≠ 0
69 42 adantr ⊢ φ ∧ 0 < − D → − D ∈ ℝ
70 ltle ⊢ 0 ∈ ℝ ∧ − D ∈ ℝ → 0 < − D → 0 ≤ − D
71 44 42 70 syl2anc ⊢ φ → 0 < − D → 0 ≤ − D
72 71 imp ⊢ φ ∧ 0 < − D → 0 ≤ − D
73 sqrt00 ⊢ − D ∈ ℝ ∧ 0 ≤ − D → − D = 0 ↔ − D = 0
74 69 72 73 syl2anc ⊢ φ ∧ 0 < − D → − D = 0 ↔ − D = 0
75 74 bicomd ⊢ φ ∧ 0 < − D → − D = 0 ↔ − D = 0
76 75 necon3bid ⊢ φ ∧ 0 < − D → − D ≠ 0 ↔ − D ≠ 0
77 68 76 mpbid ⊢ φ ∧ 0 < − D → − D ≠ 0
78 77 ex ⊢ φ → 0 < − D → − D ≠ 0
79 66 78 sylbid ⊢ φ → D < 0 → − D ≠ 0
80 45 79 sylbird ⊢ φ → ¬ 0 ≤ D → − D ≠ 0
81 80 imp ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → − D ≠ 0
82 61 65 81 recnmulnred ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → − D ⁢ i ∉ ℝ
83 df-nel ⊢ − D ⁢ i ∉ ℝ ↔ ¬ − D ⁢ i ∈ ℝ
84 82 83 sylib ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → ¬ − D ⁢ i ∈ ℝ
85 60 84 eqneltrd ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → ¬ i ⁢ − D ∈ ℝ
86 54 85 eqneltrd ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → ¬ D ∈ ℝ
87 37 86 eldifd ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → D ∈ ℂ ∖ ℝ
88 36 87 readdcnnred ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → - B + D ∉ ℝ
89 df-nel ⊢ - B + D ∉ ℝ ↔ ¬ - B + D ∈ ℝ
90 88 89 sylib ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → ¬ - B + D ∈ ℝ
91 34 90 eldifd ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → - B + D ∈ ℂ ∖ ℝ
92 2cnd ⊢ φ → 2 ∈ ℂ
93 2ne0 ⊢ 2 ≠ 0
94 93 a1i ⊢ φ → 2 ≠ 0
95 92 6 94 2 mulne0d ⊢ φ → 2 ⁢ A ≠ 0
96 95 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → 2 ⁢ A ≠ 0
97 22 91 96 cndivrenred ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → - B + D 2 ⁢ A ∉ ℝ
98 df-nel ⊢ - B + D 2 ⁢ A ∉ ℝ ↔ ¬ - B + D 2 ⁢ A ∈ ℝ
99 97 98 sylib ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → ¬ - B + D 2 ⁢ A ∈ ℝ
100 99 ex ⊢ φ → ¬ 0 ≤ D → ¬ - B + D 2 ⁢ A ∈ ℝ
101 100 con4d ⊢ φ → - B + D 2 ⁢ A ∈ ℝ → 0 ≤ D
102 101 adantr ⊢ φ ∧ x = - B + D 2 ⁢ A → - B + D 2 ⁢ A ∈ ℝ → 0 ≤ D
103 18 102 sylbid ⊢ φ ∧ x = - B + D 2 ⁢ A → x ∈ ℝ → 0 ≤ D
104 103 ex ⊢ φ → x = - B + D 2 ⁢ A → x ∈ ℝ → 0 ≤ D
105 eleq1 ⊢ x = - B - D 2 ⁢ A → x ∈ ℝ ↔ - B - D 2 ⁢ A ∈ ℝ
106 105 adantl ⊢ φ ∧ x = - B - D 2 ⁢ A → x ∈ ℝ ↔ - B - D 2 ⁢ A ∈ ℝ
107 23 32 subcld ⊢ φ → - B - D ∈ ℂ
108 107 adantr ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → - B - D ∈ ℂ
109 36 87 resubcnnred ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → - B - D ∉ ℝ
110 df-nel ⊢ - B - D ∉ ℝ ↔ ¬ - B - D ∈ ℝ
111 109 110 sylib ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → ¬ - B - D ∈ ℝ
112 108 111 eldifd ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → - B - D ∈ ℂ ∖ ℝ
113 22 112 96 cndivrenred ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → - B - D 2 ⁢ A ∉ ℝ
114 df-nel ⊢ - B - D 2 ⁢ A ∉ ℝ ↔ ¬ - B - D 2 ⁢ A ∈ ℝ
115 113 114 sylib ⊢ φ ∧ ¬ 0 ≤ D → ¬ - B - D 2 ⁢ A ∈ ℝ
116 115 ex ⊢ φ → ¬ 0 ≤ D → ¬ - B - D 2 ⁢ A ∈ ℝ
117 116 con4d ⊢ φ → - B - D 2 ⁢ A ∈ ℝ → 0 ≤ D
118 117 adantr ⊢ φ ∧ x = - B - D 2 ⁢ A → - B - D 2 ⁢ A ∈ ℝ → 0 ≤ D
119 106 118 sylbid ⊢ φ ∧ x = - B - D 2 ⁢ A → x ∈ ℝ → 0 ≤ D
120 119 ex ⊢ φ → x = - B - D 2 ⁢ A → x ∈ ℝ → 0 ≤ D
121 104 120 jaod ⊢ φ → x = - B + D 2 ⁢ A ∨ x = - B - D 2 ⁢ A → x ∈ ℝ → 0 ≤ D
122 121 com23 ⊢ φ → x ∈ ℝ → x = - B + D 2 ⁢ A ∨ x = - B - D 2 ⁢ A → 0 ≤ D
123 122 imp ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → x = - B + D 2 ⁢ A ∨ x = - B - D 2 ⁢ A → 0 ≤ D
124 16 123 sylbid ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = 0 → 0 ≤ D
125 124 rexlimdva ⊢ φ → ∃ x ∈ ℝ A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = 0 → 0 ≤ D
126 35 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → − B ∈ ℝ
127 30 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → D ∈ ℝ
128 simpr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → 0 ≤ D
129 127 128 resqrtcld ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → D ∈ ℝ
130 126 129 readdcld ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → - B + D ∈ ℝ
131 19 a1i ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → 2 ∈ ℝ
132 1 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → A ∈ ℝ
133 131 132 remulcld ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → 2 ⁢ A ∈ ℝ
134 95 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → 2 ⁢ A ≠ 0
135 130 133 134 redivcld ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → - B + D 2 ⁢ A ∈ ℝ
136 oveq1 ⊢ x = - B + D 2 ⁢ A → x 2 = - B + D 2 ⁢ A 2
137 136 oveq2d ⊢ x = - B + D 2 ⁢ A → A ⁢ x 2 = A ⁢ - B + D 2 ⁢ A 2
138 oveq2 ⊢ x = - B + D 2 ⁢ A → B ⁢ x = B ⁢ - B + D 2 ⁢ A
139 138 oveq1d ⊢ x = - B + D 2 ⁢ A → B ⁢ x + C = B ⁢ - B + D 2 ⁢ A + C
140 137 139 oveq12d ⊢ x = - B + D 2 ⁢ A → A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = A ⁢ - B + D 2 ⁢ A 2 + B ⁢ - B + D 2 ⁢ A + C
141 140 eqeq1d ⊢ x = - B + D 2 ⁢ A → A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = 0 ↔ A ⁢ - B + D 2 ⁢ A 2 + B ⁢ - B + D 2 ⁢ A + C = 0
142 141 adantl ⊢ φ ∧ 0 ≤ D ∧ x = - B + D 2 ⁢ A → A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = 0 ↔ A ⁢ - B + D 2 ⁢ A 2 + B ⁢ - B + D 2 ⁢ A + C = 0
143 eqidd ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → - B + D 2 ⁢ A = - B + D 2 ⁢ A
144 143 orcd ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → - B + D 2 ⁢ A = - B + D 2 ⁢ A ∨ - B + D 2 ⁢ A = - B - D 2 ⁢ A
145 6 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → A ∈ ℂ
146 2 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → A ≠ 0
147 9 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → B ∈ ℂ
148 11 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → C ∈ ℂ
149 92 6 mulcld ⊢ φ → 2 ⁢ A ∈ ℂ
150 33 149 95 divcld ⊢ φ → - B + D 2 ⁢ A ∈ ℂ
151 150 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → - B + D 2 ⁢ A ∈ ℂ
152 5 adantr ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → D = B 2 − 4 ⁢ A ⁢ C
153 145 146 147 148 151 152 quad ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → A ⁢ - B + D 2 ⁢ A 2 + B ⁢ - B + D 2 ⁢ A + C = 0 ↔ - B + D 2 ⁢ A = - B + D 2 ⁢ A ∨ - B + D 2 ⁢ A = - B - D 2 ⁢ A
154 144 153 mpbird ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → A ⁢ - B + D 2 ⁢ A 2 + B ⁢ - B + D 2 ⁢ A + C = 0
155 135 142 154 rspcedvd ⊢ φ ∧ 0 ≤ D → ∃ x ∈ ℝ A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = 0
156 155 ex ⊢ φ → 0 ≤ D → ∃ x ∈ ℝ A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = 0
157 125 156 impbid ⊢ φ → ∃ x ∈ ℝ A ⁢ x 2 + B ⁢ x + C = 0 ↔ 0 ≤ D