Metamath Proof Explorer


Theorem flt4lem5f

Description: Final equation of https://crypto.stanford.edu/pbc/notes/numberfield/fermatn4.html . Given A ^ 4 + B ^ 4 = C ^ 2 , provide a smaller solution. This satisfies the infinite descent condition. (Contributed by SN, 24-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 flt4lem5f ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) = ( ( ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) + ( ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) ) )

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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 flt4lem5d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ = ( ( ๐‘… โ†‘ 2 ) + ( ๐‘† โ†‘ 2 ) ) )
12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 flt4lem5e โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( ๐‘… gcd ๐‘† ) = 1 โˆง ( ๐‘… gcd ๐‘€ ) = 1 โˆง ( ๐‘† gcd ๐‘€ ) = 1 ) โˆง ( ๐‘… โˆˆ โ„• โˆง ๐‘† โˆˆ โ„• โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„• ) โˆง ( ( ๐‘€ ยท ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) = ( ( ๐ต / 2 ) โ†‘ 2 ) โˆง ( ๐ต / 2 ) โˆˆ โ„• ) ) )
13 12 simp2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘… โˆˆ โ„• โˆง ๐‘† โˆˆ โ„• โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„• ) )
14 13 simp3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„• )
15 13 simp1d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… โˆˆ โ„• )
16 13 simp2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘† โˆˆ โ„• )
17 15 16 nnmulcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘… ยท ๐‘† ) โˆˆ โ„• )
18 12 simp3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) = ( ( ๐ต / 2 ) โ†‘ 2 ) โˆง ( ๐ต / 2 ) โˆˆ โ„• ) )
19 18 simprd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ต / 2 ) โˆˆ โ„• )
20 14 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„ค )
21 15 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… โˆˆ โ„ค )
22 20 21 gcdcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ gcd ๐‘… ) = ( ๐‘… gcd ๐‘€ ) )
23 12 simp1d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘… gcd ๐‘† ) = 1 โˆง ( ๐‘… gcd ๐‘€ ) = 1 โˆง ( ๐‘† gcd ๐‘€ ) = 1 ) )
24 23 simp2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘… gcd ๐‘€ ) = 1 )
25 22 24 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ gcd ๐‘… ) = 1 )
26 16 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘† โˆˆ โ„ค )
27 20 26 gcdcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ gcd ๐‘† ) = ( ๐‘† gcd ๐‘€ ) )
28 23 simp3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘† gcd ๐‘€ ) = 1 )
29 27 28 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ gcd ๐‘† ) = 1 )
30 rpmul โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘… โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘† โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ( ๐‘€ gcd ๐‘… ) = 1 โˆง ( ๐‘€ gcd ๐‘† ) = 1 ) โ†’ ( ๐‘€ gcd ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) = 1 ) )
31 20 21 26 30 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( ๐‘€ gcd ๐‘… ) = 1 โˆง ( ๐‘€ gcd ๐‘† ) = 1 ) โ†’ ( ๐‘€ gcd ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) = 1 ) )
32 25 29 31 mp2and โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ gcd ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) = 1 )
33 18 simpld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ ยท ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) = ( ( ๐ต / 2 ) โ†‘ 2 ) )
34 14 17 19 32 33 flt4lem4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ = ( ( ๐‘€ gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) โˆง ( ๐‘… ยท ๐‘† ) = ( ( ( ๐‘… ยท ๐‘† ) gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) ) )
35 34 simpld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ = ( ( ๐‘€ gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) )
36 14 16 nnmulcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) โˆˆ โ„• )
37 36 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) โˆˆ โ„ค )
38 37 21 gcdcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) gcd ๐‘… ) = ( ๐‘… gcd ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) ) )
39 23 simp1d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘… gcd ๐‘† ) = 1 )
40 rpmul โŠข ( ( ๐‘… โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘† โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ( ๐‘… gcd ๐‘€ ) = 1 โˆง ( ๐‘… gcd ๐‘† ) = 1 ) โ†’ ( ๐‘… gcd ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) ) = 1 ) )
41 21 20 26 40 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( ๐‘… gcd ๐‘€ ) = 1 โˆง ( ๐‘… gcd ๐‘† ) = 1 ) โ†’ ( ๐‘… gcd ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) ) = 1 ) )
42 24 39 41 mp2and โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘… gcd ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) ) = 1 )
43 38 42 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) gcd ๐‘… ) = 1 )
44 14 nncnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„‚ )
45 16 nncnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘† โˆˆ โ„‚ )
46 15 nncnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… โˆˆ โ„‚ )
47 44 45 46 mul32d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) ยท ๐‘… ) = ( ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) ยท ๐‘† ) )
48 44 46 45 mulassd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) ยท ๐‘† ) = ( ๐‘€ ยท ( ๐‘… ยท ๐‘† ) ) )
49 48 33 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) ยท ๐‘† ) = ( ( ๐ต / 2 ) โ†‘ 2 ) )
50 47 49 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) ยท ๐‘… ) = ( ( ๐ต / 2 ) โ†‘ 2 ) )
51 36 15 19 43 50 flt4lem4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) = ( ( ( ๐‘€ ยท ๐‘† ) gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) โˆง ๐‘… = ( ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) ) )
52 51 simprd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… = ( ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) )
53 52 oveq1d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘… โ†‘ 2 ) = ( ( ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) )
54 gcdnncl โŠข ( ( ๐‘… โˆˆ โ„• โˆง ( ๐ต / 2 ) โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โˆˆ โ„• )
55 15 19 54 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โˆˆ โ„• )
56 55 nncnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โˆˆ โ„‚ )
57 56 flt4lem โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) = ( ( ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) )
58 53 57 eqtr4d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘… โ†‘ 2 ) = ( ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) )
59 14 15 nnmulcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) โˆˆ โ„• )
60 59 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) โˆˆ โ„ค )
61 60 26 gcdcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) gcd ๐‘† ) = ( ๐‘† gcd ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) ) )
62 26 21 gcdcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘† gcd ๐‘… ) = ( ๐‘… gcd ๐‘† ) )
63 62 39 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘† gcd ๐‘… ) = 1 )
64 rpmul โŠข ( ( ๐‘† โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘… โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ( ๐‘† gcd ๐‘€ ) = 1 โˆง ( ๐‘† gcd ๐‘… ) = 1 ) โ†’ ( ๐‘† gcd ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) ) = 1 ) )
65 26 20 21 64 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( ๐‘† gcd ๐‘€ ) = 1 โˆง ( ๐‘† gcd ๐‘… ) = 1 ) โ†’ ( ๐‘† gcd ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) ) = 1 ) )
66 28 63 65 mp2and โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘† gcd ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) ) = 1 )
67 61 66 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) gcd ๐‘† ) = 1 )
68 59 16 19 67 49 flt4lem4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) = ( ( ( ๐‘€ ยท ๐‘… ) gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) โˆง ๐‘† = ( ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) ) )
69 68 simprd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘† = ( ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) )
70 69 oveq1d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘† โ†‘ 2 ) = ( ( ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) )
71 gcdnncl โŠข ( ( ๐‘† โˆˆ โ„• โˆง ( ๐ต / 2 ) โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โˆˆ โ„• )
72 16 19 71 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โˆˆ โ„• )
73 72 nncnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โˆˆ โ„‚ )
74 73 flt4lem โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) = ( ( ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) โ†‘ 2 ) )
75 70 74 eqtr4d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘† โ†‘ 2 ) = ( ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) )
76 58 75 oveq12d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘… โ†‘ 2 ) + ( ๐‘† โ†‘ 2 ) ) = ( ( ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) + ( ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) ) )
77 11 35 76 3eqtr3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘€ gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 2 ) = ( ( ( ๐‘… gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) + ( ( ๐‘† gcd ( ๐ต / 2 ) ) โ†‘ 4 ) ) )