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Theorem primrootlekpowne0

Description: There is no smaller power of a primitive root that sends it to the neutral element. (Contributed by metakunt, 15-May-2025)

Ref Expression
Hypotheses primrootlekpowne0.1 ( 𝜑𝑅 ∈ CMnd )
primrootlekpowne0.2 ( 𝜑𝐾 ∈ ℕ )
primrootlekpowne0.3 ( 𝜑𝑀 ∈ ( 𝑅 PrimRoots 𝐾 ) )
primrootlekpowne0.4 ( 𝜑𝑁 ∈ ( 1 ... ( 𝐾 − 1 ) ) )
Assertion primrootlekpowne0 ( 𝜑 → ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) ≠ ( 0g𝑅 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 primrootlekpowne0.1 ( 𝜑𝑅 ∈ CMnd )
2 primrootlekpowne0.2 ( 𝜑𝐾 ∈ ℕ )
3 primrootlekpowne0.3 ( 𝜑𝑀 ∈ ( 𝑅 PrimRoots 𝐾 ) )
4 primrootlekpowne0.4 ( 𝜑𝑁 ∈ ( 1 ... ( 𝐾 − 1 ) ) )
5 oveq1 ( 𝑙 = 𝑁 → ( 𝑙 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) )
6 5 eqeq1d ( 𝑙 = 𝑁 → ( ( 𝑙 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ↔ ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ) )
7 breq2 ( 𝑙 = 𝑁 → ( 𝐾𝑙𝐾𝑁 ) )
8 6 7 imbi12d ( 𝑙 = 𝑁 → ( ( ( 𝑙 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) → 𝐾𝑙 ) ↔ ( ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) → 𝐾𝑁 ) ) )
9 2 nnnn0d ( 𝜑𝐾 ∈ ℕ0 )
10 eqid ( .g𝑅 ) = ( .g𝑅 )
11 1 9 10 isprimroot ( 𝜑 → ( 𝑀 ∈ ( 𝑅 PrimRoots 𝐾 ) ↔ ( 𝑀 ∈ ( Base ‘ 𝑅 ) ∧ ( 𝐾 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ∧ ∀ 𝑙 ∈ ℕ0 ( ( 𝑙 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) → 𝐾𝑙 ) ) ) )
12 11 biimpd ( 𝜑 → ( 𝑀 ∈ ( 𝑅 PrimRoots 𝐾 ) → ( 𝑀 ∈ ( Base ‘ 𝑅 ) ∧ ( 𝐾 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ∧ ∀ 𝑙 ∈ ℕ0 ( ( 𝑙 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) → 𝐾𝑙 ) ) ) )
13 3 12 mpd ( 𝜑 → ( 𝑀 ∈ ( Base ‘ 𝑅 ) ∧ ( 𝐾 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ∧ ∀ 𝑙 ∈ ℕ0 ( ( 𝑙 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) → 𝐾𝑙 ) ) )
14 13 simp3d ( 𝜑 → ∀ 𝑙 ∈ ℕ0 ( ( 𝑙 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) → 𝐾𝑙 ) )
15 14 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ) → ∀ 𝑙 ∈ ℕ0 ( ( 𝑙 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) → 𝐾𝑙 ) )
16 elfznn ( 𝑁 ∈ ( 1 ... ( 𝐾 − 1 ) ) → 𝑁 ∈ ℕ )
17 4 16 syl ( 𝜑𝑁 ∈ ℕ )
18 17 nnnn0d ( 𝜑𝑁 ∈ ℕ0 )
19 18 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ) → 𝑁 ∈ ℕ0 )
20 8 15 19 rspcdva ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ) → ( ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) → 𝐾𝑁 ) )
21 20 syldbl2 ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ) → 𝐾𝑁 )
22 17 nnred ( 𝜑𝑁 ∈ ℝ )
23 2 nnred ( 𝜑𝐾 ∈ ℝ )
24 1red ( 𝜑 → 1 ∈ ℝ )
25 23 24 resubcld ( 𝜑 → ( 𝐾 − 1 ) ∈ ℝ )
26 elfzle2 ( 𝑁 ∈ ( 1 ... ( 𝐾 − 1 ) ) → 𝑁 ≤ ( 𝐾 − 1 ) )
27 4 26 syl ( 𝜑𝑁 ≤ ( 𝐾 − 1 ) )
28 23 ltm1d ( 𝜑 → ( 𝐾 − 1 ) < 𝐾 )
29 22 25 23 27 28 lelttrd ( 𝜑𝑁 < 𝐾 )
30 22 23 ltnled ( 𝜑 → ( 𝑁 < 𝐾 ↔ ¬ 𝐾𝑁 ) )
31 29 30 mpbid ( 𝜑 → ¬ 𝐾𝑁 )
32 9 nn0zd ( 𝜑𝐾 ∈ ℤ )
33 dvdsle ( ( 𝐾 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℕ ) → ( 𝐾𝑁𝐾𝑁 ) )
34 32 17 33 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝐾𝑁𝐾𝑁 ) )
35 34 con3d ( 𝜑 → ( ¬ 𝐾𝑁 → ¬ 𝐾𝑁 ) )
36 31 35 mpd ( 𝜑 → ¬ 𝐾𝑁 )
37 36 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ) → ¬ 𝐾𝑁 )
38 21 37 pm2.21dd ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) = ( 0g𝑅 ) ) → ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) ≠ ( 0g𝑅 ) )
39 simpr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) ≠ ( 0g𝑅 ) ) → ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) ≠ ( 0g𝑅 ) )
40 38 39 pm2.61dane ( 𝜑 → ( 𝑁 ( .g𝑅 ) 𝑀 ) ≠ ( 0g𝑅 ) )