Metamath Proof Explorer


Theorem ex-ind-dvds

Description: Example of a proof by induction (divisibility result). (Contributed by Stanislas Polu, 9-Mar-2020) (Revised by BJ, 24-Mar-2020)

Ref Expression
Assertion ex-ind-dvds ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โ†’ 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘ ) + 2 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = 0 โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) = ( 4 โ†‘ 0 ) )
2 1 oveq1d โŠข ( ๐‘˜ = 0 โ†’ ( ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) + 2 ) = ( ( 4 โ†‘ 0 ) + 2 ) )
3 2 breq2d โŠข ( ๐‘˜ = 0 โ†’ ( 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) + 2 ) โ†” 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ 0 ) + 2 ) ) )
4 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘› โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) = ( 4 โ†‘ ๐‘› ) )
5 4 oveq1d โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘› โ†’ ( ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) + 2 ) = ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) )
6 5 breq2d โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘› โ†’ ( 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) + 2 ) โ†” 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) )
7 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ( ๐‘› + 1 ) โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) = ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) )
8 7 oveq1d โŠข ( ๐‘˜ = ( ๐‘› + 1 ) โ†’ ( ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) + 2 ) = ( ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) + 2 ) )
9 8 breq2d โŠข ( ๐‘˜ = ( ๐‘› + 1 ) โ†’ ( 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) + 2 ) โ†” 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) + 2 ) ) )
10 oveq2 โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘ โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) = ( 4 โ†‘ ๐‘ ) )
11 10 oveq1d โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘ โ†’ ( ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) + 2 ) = ( ( 4 โ†‘ ๐‘ ) + 2 ) )
12 11 breq2d โŠข ( ๐‘˜ = ๐‘ โ†’ ( 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘˜ ) + 2 ) โ†” 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘ ) + 2 ) ) )
13 3z โŠข 3 โˆˆ โ„ค
14 iddvds โŠข ( 3 โˆˆ โ„ค โ†’ 3 โˆฅ 3 )
15 13 14 ax-mp โŠข 3 โˆฅ 3
16 4nn0 โŠข 4 โˆˆ โ„•0
17 16 numexp0 โŠข ( 4 โ†‘ 0 ) = 1
18 17 oveq1i โŠข ( ( 4 โ†‘ 0 ) + 2 ) = ( 1 + 2 )
19 1p2e3 โŠข ( 1 + 2 ) = 3
20 18 19 eqtri โŠข ( ( 4 โ†‘ 0 ) + 2 ) = 3
21 15 20 breqtrri โŠข 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ 0 ) + 2 )
22 13 a1i โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ 3 โˆˆ โ„ค )
23 16 a1i โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ 4 โˆˆ โ„•0 )
24 simpl โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„•0 )
25 23 24 nn0expcld โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„•0 )
26 25 nn0zd โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„ค )
27 2z โŠข 2 โˆˆ โ„ค
28 27 a1i โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ 2 โˆˆ โ„ค )
29 26 28 zaddcld โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) โˆˆ โ„ค )
30 4z โŠข 4 โˆˆ โ„ค
31 30 a1i โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ 4 โˆˆ โ„ค )
32 29 31 zmulcld โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ยท 4 ) โˆˆ โ„ค )
33 22 28 zmulcld โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ ( 3 ยท 2 ) โˆˆ โ„ค )
34 16 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ 4 โˆˆ โ„•0 )
35 id โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„•0 )
36 34 35 nn0expcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„•0 )
37 36 nn0zd โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„ค )
38 37 adantr โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„ค )
39 38 28 zaddcld โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) โˆˆ โ„ค )
40 simpr โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) )
41 22 39 31 40 dvdsmultr1d โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ 3 โˆฅ ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ยท 4 ) )
42 dvdsmul1 โŠข ( ( 3 โˆˆ โ„ค โˆง 2 โˆˆ โ„ค ) โ†’ 3 โˆฅ ( 3 ยท 2 ) )
43 13 27 42 mp2an โŠข 3 โˆฅ ( 3 ยท 2 )
44 43 a1i โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ 3 โˆฅ ( 3 ยท 2 ) )
45 22 32 33 41 44 dvds2subd โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ 3 โˆฅ ( ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ยท 4 ) โˆ’ ( 3 ยท 2 ) ) )
46 36 nn0cnd โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 4 โ†‘ ๐‘› ) โˆˆ โ„‚ )
47 2cnd โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ 2 โˆˆ โ„‚ )
48 4cn โŠข 4 โˆˆ โ„‚
49 48 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ 4 โˆˆ โ„‚ )
50 46 47 49 adddird โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ยท 4 ) = ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) ยท 4 ) + ( 2 ยท 4 ) ) )
51 50 oveq1d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ยท 4 ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) ) = ( ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) ยท 4 ) + ( 2 ยท 4 ) ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) ) )
52 3cn โŠข 3 โˆˆ โ„‚
53 2cn โŠข 2 โˆˆ โ„‚
54 52 53 mulcomi โŠข ( 3 ยท 2 ) = ( 2 ยท 3 )
55 54 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 3 ยท 2 ) = ( 2 ยท 3 ) )
56 55 oveq2d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ยท 4 ) โˆ’ ( 3 ยท 2 ) ) = ( ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ยท 4 ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) ) )
57 49 35 expp1d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) = ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) ยท 4 ) )
58 ax-1cn โŠข 1 โˆˆ โ„‚
59 3p1e4 โŠข ( 3 + 1 ) = 4
60 52 58 59 addcomli โŠข ( 1 + 3 ) = 4
61 60 eqcomi โŠข 4 = ( 1 + 3 )
62 58 52 61 mvrraddi โŠข ( 4 โˆ’ 3 ) = 1
63 62 oveq2i โŠข ( 2 ยท ( 4 โˆ’ 3 ) ) = ( 2 ยท 1 )
64 53 48 52 subdii โŠข ( 2 ยท ( 4 โˆ’ 3 ) ) = ( ( 2 ยท 4 ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) )
65 2t1e2 โŠข ( 2 ยท 1 ) = 2
66 63 64 65 3eqtr3ri โŠข 2 = ( ( 2 ยท 4 ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) )
67 66 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ 2 = ( ( 2 ยท 4 ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) ) )
68 57 67 oveq12d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) + 2 ) = ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) ยท 4 ) + ( ( 2 ยท 4 ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) ) ) )
69 46 49 mulcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) ยท 4 ) โˆˆ โ„‚ )
70 47 49 mulcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 2 ยท 4 ) โˆˆ โ„‚ )
71 52 a1i โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ 3 โˆˆ โ„‚ )
72 47 71 mulcld โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 2 ยท 3 ) โˆˆ โ„‚ )
73 69 70 72 addsubassd โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) ยท 4 ) + ( 2 ยท 4 ) ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) ) = ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) ยท 4 ) + ( ( 2 ยท 4 ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) ) ) )
74 68 73 eqtr4d โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) + 2 ) = ( ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) ยท 4 ) + ( 2 ยท 4 ) ) โˆ’ ( 2 ยท 3 ) ) )
75 51 56 74 3eqtr4rd โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) + 2 ) = ( ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ยท 4 ) โˆ’ ( 3 ยท 2 ) ) )
76 75 adantr โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ ( ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) + 2 ) = ( ( ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ยท 4 ) โˆ’ ( 3 ยท 2 ) ) )
77 45 76 breqtrrd โŠข ( ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โˆง 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) ) โ†’ 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) + 2 ) )
78 77 ex โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘› ) + 2 ) โ†’ 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ( ๐‘› + 1 ) ) + 2 ) ) )
79 3 6 9 12 21 78 nn0ind โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„•0 โ†’ 3 โˆฅ ( ( 4 โ†‘ ๐‘ ) + 2 ) )