Metamath Proof Explorer


Theorem flt4lem5c

Description: Part 2 of Equation 2 of https://crypto.stanford.edu/pbc/notes/numberfield/fermatn4.html . (Contributed by SN, 22-Aug-2024)

Ref Expression
Hypotheses flt4lem5a.m โŠข ๐‘€ = ( ( ( โˆš โ€˜ ( ๐ถ + ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) ) + ( โˆš โ€˜ ( ๐ถ โˆ’ ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) ) ) / 2 )
flt4lem5a.n โŠข ๐‘ = ( ( ( โˆš โ€˜ ( ๐ถ + ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) ) โˆ’ ( โˆš โ€˜ ( ๐ถ โˆ’ ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) ) ) / 2 )
flt4lem5a.r โŠข ๐‘… = ( ( ( โˆš โ€˜ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) + ( โˆš โ€˜ ( ๐‘€ โˆ’ ๐‘ ) ) ) / 2 )
flt4lem5a.s โŠข ๐‘† = ( ( ( โˆš โ€˜ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) โˆ’ ( โˆš โ€˜ ( ๐‘€ โˆ’ ๐‘ ) ) ) / 2 )
flt4lem5a.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„• )
flt4lem5a.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„• )
flt4lem5a.c โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„• )
flt4lem5a.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ยฌ 2 โˆฅ ๐ด )
flt4lem5a.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด gcd ๐ถ ) = 1 )
flt4lem5a.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 4 ) + ( ๐ต โ†‘ 4 ) ) = ( ๐ถ โ†‘ 2 ) )
Assertion flt4lem5c ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ = ( 2 ยท ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 flt4lem5a.m โŠข ๐‘€ = ( ( ( โˆš โ€˜ ( ๐ถ + ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) ) + ( โˆš โ€˜ ( ๐ถ โˆ’ ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) ) ) / 2 )
2 flt4lem5a.n โŠข ๐‘ = ( ( ( โˆš โ€˜ ( ๐ถ + ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) ) โˆ’ ( โˆš โ€˜ ( ๐ถ โˆ’ ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) ) ) / 2 )
3 flt4lem5a.r โŠข ๐‘… = ( ( ( โˆš โ€˜ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) + ( โˆš โ€˜ ( ๐‘€ โˆ’ ๐‘ ) ) ) / 2 )
4 flt4lem5a.s โŠข ๐‘† = ( ( ( โˆš โ€˜ ( ๐‘€ + ๐‘ ) ) โˆ’ ( โˆš โ€˜ ( ๐‘€ โˆ’ ๐‘ ) ) ) / 2 )
5 flt4lem5a.a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„• )
6 flt4lem5a.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„• )
7 flt4lem5a.c โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„• )
8 flt4lem5a.1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ยฌ 2 โˆฅ ๐ด )
9 flt4lem5a.2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด gcd ๐ถ ) = 1 )
10 flt4lem5a.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 4 ) + ( ๐ต โ†‘ 4 ) ) = ( ๐ถ โ†‘ 2 ) )
11 5 nnsqcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• )
12 6 nnsqcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ต โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• )
13 2prm โŠข 2 โˆˆ โ„™
14 5 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„ค )
15 prmdvdssq โŠข ( ( 2 โˆˆ โ„™ โˆง ๐ด โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( 2 โˆฅ ๐ด โ†” 2 โˆฅ ( ๐ด โ†‘ 2 ) ) )
16 13 14 15 sylancr โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 2 โˆฅ ๐ด โ†” 2 โˆฅ ( ๐ด โ†‘ 2 ) ) )
17 8 16 mtbid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ยฌ 2 โˆฅ ( ๐ด โ†‘ 2 ) )
18 2nn โŠข 2 โˆˆ โ„•
19 18 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ 2 โˆˆ โ„• )
20 rplpwr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐ถ โˆˆ โ„• โˆง 2 โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐ด gcd ๐ถ ) = 1 โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) gcd ๐ถ ) = 1 ) )
21 5 7 19 20 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด gcd ๐ถ ) = 1 โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) gcd ๐ถ ) = 1 ) )
22 9 21 mpd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) gcd ๐ถ ) = 1 )
23 5 nncnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‚ )
24 23 flt4lem โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด โ†‘ 4 ) = ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) )
25 6 nncnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ โ„‚ )
26 25 flt4lem โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ต โ†‘ 4 ) = ( ( ๐ต โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) )
27 24 26 oveq12d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 4 ) + ( ๐ต โ†‘ 4 ) ) = ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) + ( ( ๐ต โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) ) )
28 27 10 eqtr3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) + ( ( ๐ต โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) ) = ( ๐ถ โ†‘ 2 ) )
29 11 12 7 17 22 28 flt4lem1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• โˆง ( ๐ต โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• โˆง ๐ถ โˆˆ โ„• ) โˆง ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) + ( ( ๐ต โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) ) = ( ๐ถ โ†‘ 2 ) โˆง ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) gcd ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) = 1 โˆง ยฌ 2 โˆฅ ( ๐ด โ†‘ 2 ) ) ) )
30 2 pythagtriplem13 โŠข ( ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• โˆง ( ๐ต โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• โˆง ๐ถ โˆˆ โ„• ) โˆง ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) + ( ( ๐ต โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) ) = ( ๐ถ โ†‘ 2 ) โˆง ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) gcd ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) = 1 โˆง ยฌ 2 โˆฅ ( ๐ด โ†‘ 2 ) ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
31 29 30 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
32 1 pythagtriplem11 โŠข ( ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• โˆง ( ๐ต โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• โˆง ๐ถ โˆˆ โ„• ) โˆง ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) + ( ( ๐ต โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) ) = ( ๐ถ โ†‘ 2 ) โˆง ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) gcd ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) = 1 โˆง ยฌ 2 โˆฅ ( ๐ด โ†‘ 2 ) ) ) โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„• )
33 29 32 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„• )
34 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 flt4lem5a โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) + ( ๐‘ โ†‘ 2 ) ) = ( ๐‘€ โ†‘ 2 ) )
35 31 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„ค )
36 14 35 gcdcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด gcd ๐‘ ) = ( ๐‘ gcd ๐ด ) )
37 33 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„ค )
38 35 37 gcdcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ gcd ๐‘€ ) = ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) )
39 1 2 flt4lem5 โŠข ( ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• โˆง ( ๐ต โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• โˆง ๐ถ โˆˆ โ„• ) โˆง ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) + ( ( ๐ต โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) ) = ( ๐ถ โ†‘ 2 ) โˆง ( ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) gcd ( ๐ต โ†‘ 2 ) ) = 1 โˆง ยฌ 2 โˆฅ ( ๐ด โ†‘ 2 ) ) ) โ†’ ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) = 1 )
40 29 39 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) = 1 )
41 38 40 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ gcd ๐‘€ ) = 1 )
42 31 nnsqcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„• )
43 42 nncnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„‚ )
44 11 nncnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„‚ )
45 43 44 addcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) + ( ๐ด โ†‘ 2 ) ) = ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) + ( ๐‘ โ†‘ 2 ) ) )
46 45 34 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) + ( ๐ด โ†‘ 2 ) ) = ( ๐‘€ โ†‘ 2 ) )
47 31 5 33 41 46 fltabcoprm โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ gcd ๐ด ) = 1 )
48 36 47 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ด gcd ๐‘ ) = 1 )
49 3 4 pythagtriplem16 โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„• โˆง ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„• ) โˆง ( ( ๐ด โ†‘ 2 ) + ( ๐‘ โ†‘ 2 ) ) = ( ๐‘€ โ†‘ 2 ) โˆง ( ( ๐ด gcd ๐‘ ) = 1 โˆง ยฌ 2 โˆฅ ๐ด ) ) โ†’ ๐‘ = ( 2 ยท ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) )
50 5 31 33 34 48 8 49 syl312anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ = ( 2 ยท ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) )