Metamath Proof Explorer


Theorem prmlem2

Description: Our last proving session got as far as 25 because we started with the two "bootstrap" primes 2 and 3, and the next prime is 5, so knowing that 2 and 3 are prime and 4 is not allows to cover the numbers less than 5 ^ 2 = 2 5 . Additionally, nonprimes are "easy", so we can extend this range of known prime/nonprimes all the way until 29, which is the first prime larger than 25. Thus, in this lemma we extend another blanket out to 2 9 ^ 2 = 8 4 1 , from which we can prove even more primes. If we wanted, we could keep doing this, but the goal is Bertrand's postulate, and for that we only need a few large primes - we don't need to find them all, as we have been doing thus far. So after this blanket runs out, we'll have to switch to another method (see 1259prm ).

As a side note, you can see the pattern of the primes in the indentation pattern of this lemma! (Contributed by Mario Carneiro, 18-Feb-2014) (Proof shortened by Mario Carneiro, 20-Apr-2015)

Ref Expression
Hypotheses prmlem2.n โŠข ๐‘ โˆˆ โ„•
prmlem2.lt โŠข ๐‘ < 8 4 1
prmlem2.gt โŠข 1 < ๐‘
prmlem2.2 โŠข ยฌ 2 โˆฅ ๐‘
prmlem2.3 โŠข ยฌ 3 โˆฅ ๐‘
prmlem2.5 โŠข ยฌ 5 โˆฅ ๐‘
prmlem2.7 โŠข ยฌ 7 โˆฅ ๐‘
prmlem2.11 โŠข ยฌ 1 1 โˆฅ ๐‘
prmlem2.13 โŠข ยฌ 1 3 โˆฅ ๐‘
prmlem2.17 โŠข ยฌ 1 7 โˆฅ ๐‘
prmlem2.19 โŠข ยฌ 1 9 โˆฅ ๐‘
prmlem2.23 โŠข ยฌ 2 3 โˆฅ ๐‘
Assertion prmlem2 ๐‘ โˆˆ โ„™

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 prmlem2.n โŠข ๐‘ โˆˆ โ„•
2 prmlem2.lt โŠข ๐‘ < 8 4 1
3 prmlem2.gt โŠข 1 < ๐‘
4 prmlem2.2 โŠข ยฌ 2 โˆฅ ๐‘
5 prmlem2.3 โŠข ยฌ 3 โˆฅ ๐‘
6 prmlem2.5 โŠข ยฌ 5 โˆฅ ๐‘
7 prmlem2.7 โŠข ยฌ 7 โˆฅ ๐‘
8 prmlem2.11 โŠข ยฌ 1 1 โˆฅ ๐‘
9 prmlem2.13 โŠข ยฌ 1 3 โˆฅ ๐‘
10 prmlem2.17 โŠข ยฌ 1 7 โˆฅ ๐‘
11 prmlem2.19 โŠข ยฌ 1 9 โˆฅ ๐‘
12 prmlem2.23 โŠข ยฌ 2 3 โˆฅ ๐‘
13 eluzelre โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„ )
14 13 resqcld โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) โ†’ ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„ )
15 eluzle โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) โ†’ 2 9 โ‰ค ๐‘ฅ )
16 2nn0 โŠข 2 โˆˆ โ„•0
17 9nn0 โŠข 9 โˆˆ โ„•0
18 16 17 deccl โŠข 2 9 โˆˆ โ„•0
19 18 nn0rei โŠข 2 9 โˆˆ โ„
20 18 nn0ge0i โŠข 0 โ‰ค 2 9
21 le2sq2 โŠข ( ( ( 2 9 โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค 2 9 ) โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„ โˆง 2 9 โ‰ค ๐‘ฅ ) ) โ†’ ( 2 9 โ†‘ 2 ) โ‰ค ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) )
22 19 20 21 mpanl12 โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„ โˆง 2 9 โ‰ค ๐‘ฅ ) โ†’ ( 2 9 โ†‘ 2 ) โ‰ค ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) )
23 13 15 22 syl2anc โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) โ†’ ( 2 9 โ†‘ 2 ) โ‰ค ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) )
24 1 nnrei โŠข ๐‘ โˆˆ โ„
25 19 resqcli โŠข ( 2 9 โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„
26 18 nn0cni โŠข 2 9 โˆˆ โ„‚
27 26 sqvali โŠข ( 2 9 โ†‘ 2 ) = ( 2 9 ยท 2 9 )
28 eqid โŠข 2 9 = 2 9
29 1nn0 โŠข 1 โˆˆ โ„•0
30 6nn0 โŠข 6 โˆˆ โ„•0
31 16 30 deccl โŠข 2 6 โˆˆ โ„•0
32 5nn0 โŠข 5 โˆˆ โ„•0
33 8nn0 โŠข 8 โˆˆ โ„•0
34 26 2timesi โŠข ( 2 ยท 2 9 ) = ( 2 9 + 2 9 )
35 2p2e4 โŠข ( 2 + 2 ) = 4
36 35 oveq1i โŠข ( ( 2 + 2 ) + 1 ) = ( 4 + 1 )
37 4p1e5 โŠข ( 4 + 1 ) = 5
38 36 37 eqtri โŠข ( ( 2 + 2 ) + 1 ) = 5
39 9p9e18 โŠข ( 9 + 9 ) = 1 8
40 16 17 16 17 28 28 38 33 39 decaddc โŠข ( 2 9 + 2 9 ) = 5 8
41 34 40 eqtri โŠข ( 2 ยท 2 9 ) = 5 8
42 eqid โŠข 2 6 = 2 6
43 5p2e7 โŠข ( 5 + 2 ) = 7
44 43 oveq1i โŠข ( ( 5 + 2 ) + 1 ) = ( 7 + 1 )
45 7p1e8 โŠข ( 7 + 1 ) = 8
46 44 45 eqtri โŠข ( ( 5 + 2 ) + 1 ) = 8
47 4nn0 โŠข 4 โˆˆ โ„•0
48 8p6e14 โŠข ( 8 + 6 ) = 1 4
49 32 33 16 30 41 42 46 47 48 decaddc โŠข ( ( 2 ยท 2 9 ) + 2 6 ) = 8 4
50 9t2e18 โŠข ( 9 ยท 2 ) = 1 8
51 1p1e2 โŠข ( 1 + 1 ) = 2
52 8p8e16 โŠข ( 8 + 8 ) = 1 6
53 29 33 33 50 51 30 52 decaddci โŠข ( ( 9 ยท 2 ) + 8 ) = 2 6
54 9t9e81 โŠข ( 9 ยท 9 ) = 8 1
55 17 16 17 28 29 33 53 54 decmul2c โŠข ( 9 ยท 2 9 ) = 2 6 1
56 18 16 17 28 29 31 49 55 decmul1c โŠข ( 2 9 ยท 2 9 ) = 8 4 1
57 27 56 eqtri โŠข ( 2 9 โ†‘ 2 ) = 8 4 1
58 2 57 breqtrri โŠข ๐‘ < ( 2 9 โ†‘ 2 )
59 ltletr โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„ โˆง ( 2 9 โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„ โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ( ๐‘ < ( 2 9 โ†‘ 2 ) โˆง ( 2 9 โ†‘ 2 ) โ‰ค ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) ) โ†’ ๐‘ < ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) ) )
60 58 59 mpani โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„ โˆง ( 2 9 โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„ โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ( 2 9 โ†‘ 2 ) โ‰ค ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ†’ ๐‘ < ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) ) )
61 24 25 60 mp3an12 โŠข ( ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„ โ†’ ( ( 2 9 โ†‘ 2 ) โ‰ค ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ†’ ๐‘ < ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) ) )
62 14 23 61 sylc โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) โ†’ ๐‘ < ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) )
63 ltnle โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„ โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ๐‘ < ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ†” ยฌ ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) )
64 24 14 63 sylancr โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) โ†’ ( ๐‘ < ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ†” ยฌ ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) )
65 62 64 mpbid โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) โ†’ ยฌ ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ )
66 65 pm2.21d โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
67 66 adantld โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
68 67 adantl โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 2 9 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 9 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
69 9nn โŠข 9 โˆˆ โ„•
70 3nn โŠข 3 โˆˆ โ„•
71 1lt9 โŠข 1 < 9
72 1lt3 โŠข 1 < 3
73 9t3e27 โŠข ( 9 ยท 3 ) = 2 7
74 69 70 71 72 73 nprmi โŠข ยฌ 2 7 โˆˆ โ„™
75 74 pm2.21i โŠข ( 2 7 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 2 7 โˆฅ ๐‘ )
76 7nn0 โŠข 7 โˆˆ โ„•0
77 eqid โŠข 2 7 = 2 7
78 7p2e9 โŠข ( 7 + 2 ) = 9
79 16 76 16 77 78 decaddi โŠข ( 2 7 + 2 ) = 2 9
80 68 75 79 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 2 7 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 7 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
81 5nn โŠข 5 โˆˆ โ„•
82 1lt5 โŠข 1 < 5
83 5t5e25 โŠข ( 5 ยท 5 ) = 2 5
84 81 81 82 82 83 nprmi โŠข ยฌ 2 5 โˆˆ โ„™
85 84 pm2.21i โŠข ( 2 5 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 2 5 โˆฅ ๐‘ )
86 eqid โŠข 2 5 = 2 5
87 16 32 16 86 43 decaddi โŠข ( 2 5 + 2 ) = 2 7
88 80 85 87 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 2 5 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 5 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
89 12 a1i โŠข ( 2 3 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 2 3 โˆฅ ๐‘ )
90 3nn0 โŠข 3 โˆˆ โ„•0
91 eqid โŠข 2 3 = 2 3
92 3p2e5 โŠข ( 3 + 2 ) = 5
93 16 90 16 91 92 decaddi โŠข ( 2 3 + 2 ) = 2 5
94 88 89 93 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 2 3 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 3 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
95 7nn โŠข 7 โˆˆ โ„•
96 1lt7 โŠข 1 < 7
97 7t3e21 โŠข ( 7 ยท 3 ) = 2 1
98 95 70 96 72 97 nprmi โŠข ยฌ 2 1 โˆˆ โ„™
99 98 pm2.21i โŠข ( 2 1 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 2 1 โˆฅ ๐‘ )
100 eqid โŠข 2 1 = 2 1
101 1p2e3 โŠข ( 1 + 2 ) = 3
102 16 29 16 100 101 decaddi โŠข ( 2 1 + 2 ) = 2 3
103 94 99 102 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 2 1 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 2 1 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
104 11 a1i โŠข ( 1 9 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 1 9 โˆฅ ๐‘ )
105 eqid โŠข 1 9 = 1 9
106 9p2e11 โŠข ( 9 + 2 ) = 1 1
107 29 17 16 105 51 29 106 decaddci โŠข ( 1 9 + 2 ) = 2 1
108 103 104 107 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 1 9 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 9 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
109 10 a1i โŠข ( 1 7 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 1 7 โˆฅ ๐‘ )
110 eqid โŠข 1 7 = 1 7
111 29 76 16 110 78 decaddi โŠข ( 1 7 + 2 ) = 1 9
112 108 109 111 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 1 7 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 7 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
113 5t3e15 โŠข ( 5 ยท 3 ) = 1 5
114 81 70 82 72 113 nprmi โŠข ยฌ 1 5 โˆˆ โ„™
115 114 pm2.21i โŠข ( 1 5 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 1 5 โˆฅ ๐‘ )
116 eqid โŠข 1 5 = 1 5
117 29 32 16 116 43 decaddi โŠข ( 1 5 + 2 ) = 1 7
118 112 115 117 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 1 5 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 5 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
119 9 a1i โŠข ( 1 3 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 1 3 โˆฅ ๐‘ )
120 eqid โŠข 1 3 = 1 3
121 29 90 16 120 92 decaddi โŠข ( 1 3 + 2 ) = 1 5
122 118 119 121 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 1 3 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 3 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
123 8 a1i โŠข ( 1 1 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 1 1 โˆฅ ๐‘ )
124 eqid โŠข 1 1 = 1 1
125 29 29 16 124 101 decaddi โŠข ( 1 1 + 2 ) = 1 3
126 122 123 125 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 1 1 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 1 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
127 9nprm โŠข ยฌ 9 โˆˆ โ„™
128 127 pm2.21i โŠข ( 9 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 9 โˆฅ ๐‘ )
129 126 128 106 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 9 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 9 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
130 7 a1i โŠข ( 7 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 7 โˆฅ ๐‘ )
131 129 130 78 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 7 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 7 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
132 6 a1i โŠข ( 5 โˆˆ โ„™ โ†’ ยฌ 5 โˆฅ ๐‘ )
133 131 132 43 prmlem0 โŠข ( ( ยฌ 2 โˆฅ 5 โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 5 ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( โ„™ โˆ– { 2 } ) โˆง ( ๐‘ฅ โ†‘ 2 ) โ‰ค ๐‘ ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆฅ ๐‘ ) )
134 1 3 4 5 133 prmlem1a โŠข ๐‘ โˆˆ โ„™