Metamath Proof Explorer


Theorem lcmgcd

Description: The product of two numbers' least common multiple and greatest common divisor is the absolute value of the product of the two numbers. In particular, that absolute valueis the least common multiple of two coprime numbers, for which ( M gcd N ) = 1 .

Multiple methods exist for proving this, and it is often proven either as a consequence of the fundamental theorem of arithmetic 1arith or of Bรฉzout's identity bezout ; see e.g., https://proofwiki.org/wiki/Product_of_GCD_and_LCM and https://math.stackexchange.com/a/470827 . This proof uses the latter to first confirm it for positive integers M and N (the "Second Proof" in the above Stack Exchange page), then shows that implies it for all nonzero integer inputs, then finally uses lcm0val to show it applies when either or both inputs are zero. (Contributed by Steve Rodriguez, 20-Jan-2020)

Ref Expression
Assertion lcmgcd ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 gcdcl โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) โˆˆ โ„•0 )
2 1 nn0cnd โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) โˆˆ โ„‚ )
3 2 mul02d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( 0 ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = 0 )
4 0z โŠข 0 โˆˆ โ„ค
5 lcmcom โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โˆง 0 โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐‘ lcm 0 ) = ( 0 lcm ๐‘ ) )
6 4 5 mpan2 โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โ†’ ( ๐‘ lcm 0 ) = ( 0 lcm ๐‘ ) )
7 lcm0val โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โ†’ ( ๐‘ lcm 0 ) = 0 )
8 6 7 eqtr3d โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โ†’ ( 0 lcm ๐‘ ) = 0 )
9 8 adantl โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( 0 lcm ๐‘ ) = 0 )
10 9 oveq1d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( 0 lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( 0 ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) )
11 zcn โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„‚ )
12 11 adantl โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„‚ )
13 12 mul02d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( 0 ยท ๐‘ ) = 0 )
14 13 abs00bd โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( abs โ€˜ ( 0 ยท ๐‘ ) ) = 0 )
15 3 10 14 3eqtr4d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( 0 lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( 0 ยท ๐‘ ) ) )
16 15 adantr โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘€ = 0 ) โ†’ ( ( 0 lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( 0 ยท ๐‘ ) ) )
17 simpr โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘€ = 0 ) โ†’ ๐‘€ = 0 )
18 17 oveq1d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘€ = 0 ) โ†’ ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) = ( 0 lcm ๐‘ ) )
19 18 oveq1d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘€ = 0 ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( ( 0 lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) )
20 17 oveq1d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘€ = 0 ) โ†’ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) = ( 0 ยท ๐‘ ) )
21 20 fveq2d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘€ = 0 ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( 0 ยท ๐‘ ) ) )
22 16 19 21 3eqtr4d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘€ = 0 ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) )
23 lcm0val โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โ†’ ( ๐‘€ lcm 0 ) = 0 )
24 23 adantr โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐‘€ lcm 0 ) = 0 )
25 24 oveq1d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm 0 ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( 0 ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) )
26 zcn โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„‚ )
27 26 adantr โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ๐‘€ โˆˆ โ„‚ )
28 27 mul01d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐‘€ ยท 0 ) = 0 )
29 28 abs00bd โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท 0 ) ) = 0 )
30 3 25 29 3eqtr4d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm 0 ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท 0 ) ) )
31 30 adantr โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘ = 0 ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm 0 ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท 0 ) ) )
32 simpr โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘ = 0 ) โ†’ ๐‘ = 0 )
33 32 oveq2d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘ = 0 ) โ†’ ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) = ( ๐‘€ lcm 0 ) )
34 33 oveq1d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘ = 0 ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( ( ๐‘€ lcm 0 ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) )
35 32 oveq2d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘ = 0 ) โ†’ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) = ( ๐‘€ ยท 0 ) )
36 35 fveq2d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘ = 0 ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท 0 ) ) )
37 31 34 36 3eqtr4d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐‘ = 0 ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) )
38 22 37 jaodan โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ( ๐‘€ = 0 โˆจ ๐‘ = 0 ) ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) )
39 neanior โŠข ( ( ๐‘€ โ‰  0 โˆง ๐‘ โ‰  0 ) โ†” ยฌ ( ๐‘€ = 0 โˆจ ๐‘ = 0 ) )
40 nnabscl โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘€ โ‰  0 ) โ†’ ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆˆ โ„• )
41 nnabscl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โ‰  0 ) โ†’ ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„• )
42 40 41 anim12i โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘€ โ‰  0 ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โ‰  0 ) ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆˆ โ„• โˆง ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„• ) )
43 42 an4s โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ( ๐‘€ โ‰  0 โˆง ๐‘ โ‰  0 ) ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆˆ โ„• โˆง ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„• ) )
44 39 43 sylan2br โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ยฌ ( ๐‘€ = 0 โˆจ ๐‘ = 0 ) ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆˆ โ„• โˆง ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„• ) )
45 lcmgcdlem โŠข ( ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆˆ โ„• โˆง ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) lcm ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ยท ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) gcd ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( abs โ€˜ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ยท ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) โˆง ( ( 0 โˆˆ โ„• โˆง ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆฅ 0 โˆง ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆฅ 0 ) ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) lcm ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) โˆฅ 0 ) ) )
46 45 simpld โŠข ( ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆˆ โ„• โˆง ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) lcm ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ยท ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) gcd ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( abs โ€˜ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ยท ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) )
47 44 46 syl โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ยฌ ( ๐‘€ = 0 โˆจ ๐‘ = 0 ) ) โ†’ ( ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) lcm ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ยท ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) gcd ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( abs โ€˜ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ยท ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) )
48 lcmabs โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) lcm ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) = ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) )
49 gcdabs โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) gcd ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) = ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) )
50 48 49 oveq12d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) lcm ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ยท ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) gcd ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) )
51 50 adantr โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ยฌ ( ๐‘€ = 0 โˆจ ๐‘ = 0 ) ) โ†’ ( ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) lcm ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ยท ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) gcd ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) )
52 absidm โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( abs โ€˜ ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ) = ( abs โ€˜ ๐‘€ ) )
53 absidm โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„‚ โ†’ ( abs โ€˜ ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ๐‘ ) )
54 52 53 oveqan12d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ) ยท ( abs โ€˜ ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ยท ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) )
55 26 11 54 syl2an โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ) ยท ( abs โ€˜ ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ยท ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) )
56 nn0abscl โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โ†’ ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆˆ โ„•0 )
57 56 nn0cnd โŠข ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โ†’ ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆˆ โ„‚ )
58 57 adantr โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( abs โ€˜ ๐‘€ ) โˆˆ โ„‚ )
59 nn0abscl โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โ†’ ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„•0 )
60 59 nn0cnd โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โ†’ ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„‚ )
61 60 adantl โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( abs โ€˜ ๐‘ ) โˆˆ โ„‚ )
62 58 61 absmuld โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ยท ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( ( abs โ€˜ ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ) ยท ( abs โ€˜ ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) )
63 27 12 absmuld โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) = ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ยท ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) )
64 55 62 63 3eqtr4d โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ยท ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) )
65 64 adantr โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ยฌ ( ๐‘€ = 0 โˆจ ๐‘ = 0 ) ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ( abs โ€˜ ๐‘€ ) ยท ( abs โ€˜ ๐‘ ) ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) )
66 47 51 65 3eqtr3d โŠข ( ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โˆง ยฌ ( ๐‘€ = 0 โˆจ ๐‘ = 0 ) ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) )
67 38 66 pm2.61dan โŠข ( ( ๐‘€ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ๐‘€ lcm ๐‘ ) ยท ( ๐‘€ gcd ๐‘ ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘€ ยท ๐‘ ) ) )