Metamath Proof Explorer


Theorem lgsquad

Description: The Law of Quadratic Reciprocity, see also theorem 9.8 in ApostolNT p. 185. If P and Q are distinct odd primes, then the product of the Legendre symbols ( P /L Q ) and ( Q /L P ) is the parity of ( ( P - 1 ) / 2 ) x. ( ( Q - 1 ) / 2 ) . This uses Eisenstein's proof, which also has a nice geometric interpretation - see https://en.wikipedia.org/wiki/Proofs_of_quadratic_reciprocity . This is Metamath 100 proof #7. (Contributed by Mario Carneiro, 19-Jun-2015)

Ref Expression
Assertion lgsquad ( ( ๐‘ƒ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘„ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘ƒ โ‰  ๐‘„ ) โ†’ ( ( ๐‘ƒ /L ๐‘„ ) ยท ( ๐‘„ /L ๐‘ƒ ) ) = ( - 1 โ†‘ ( ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ยท ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 simp1 โŠข ( ( ๐‘ƒ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘„ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘ƒ โ‰  ๐‘„ ) โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) )
2 simp2 โŠข ( ( ๐‘ƒ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘„ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘ƒ โ‰  ๐‘„ ) โ†’ ๐‘„ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) )
3 simp3 โŠข ( ( ๐‘ƒ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘„ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘ƒ โ‰  ๐‘„ ) โ†’ ๐‘ƒ โ‰  ๐‘„ )
4 eqid โŠข ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) = ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 )
5 eqid โŠข ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) = ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 )
6 eleq1w โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ง โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) โ†” ๐‘ง โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) )
7 eleq1w โŠข ( ๐‘ฆ = ๐‘ค โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) โ†” ๐‘ค โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) )
8 6 7 bi2anan9 โŠข ( ( ๐‘ฅ = ๐‘ง โˆง ๐‘ฆ = ๐‘ค ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) โ†” ( ๐‘ง โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) โˆง ๐‘ค โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) ) )
9 oveq1 โŠข ( ๐‘ฆ = ๐‘ค โ†’ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ƒ ) = ( ๐‘ค ยท ๐‘ƒ ) )
10 oveq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ง โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐‘„ ) = ( ๐‘ง ยท ๐‘„ ) )
11 9 10 breqan12rd โŠข ( ( ๐‘ฅ = ๐‘ง โˆง ๐‘ฆ = ๐‘ค ) โ†’ ( ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ƒ ) < ( ๐‘ฅ ยท ๐‘„ ) โ†” ( ๐‘ค ยท ๐‘ƒ ) < ( ๐‘ง ยท ๐‘„ ) ) )
12 8 11 anbi12d โŠข ( ( ๐‘ฅ = ๐‘ง โˆง ๐‘ฆ = ๐‘ค ) โ†’ ( ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) โˆง ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ƒ ) < ( ๐‘ฅ ยท ๐‘„ ) ) โ†” ( ( ๐‘ง โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) โˆง ๐‘ค โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) โˆง ( ๐‘ค ยท ๐‘ƒ ) < ( ๐‘ง ยท ๐‘„ ) ) ) )
13 12 cbvopabv โŠข { โŸจ ๐‘ฅ , ๐‘ฆ โŸฉ โˆฃ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) โˆง ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ƒ ) < ( ๐‘ฅ ยท ๐‘„ ) ) } = { โŸจ ๐‘ง , ๐‘ค โŸฉ โˆฃ ( ( ๐‘ง โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) โˆง ๐‘ค โˆˆ ( 1 ... ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) โˆง ( ๐‘ค ยท ๐‘ƒ ) < ( ๐‘ง ยท ๐‘„ ) ) }
14 1 2 3 4 5 13 lgsquadlem3 โŠข ( ( ๐‘ƒ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘„ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ๐‘ƒ โ‰  ๐‘„ ) โ†’ ( ( ๐‘ƒ /L ๐‘„ ) ยท ( ๐‘„ /L ๐‘ƒ ) ) = ( - 1 โ†‘ ( ( ( ๐‘ƒ โˆ’ 1 ) / 2 ) ยท ( ( ๐‘„ โˆ’ 1 ) / 2 ) ) ) )