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Theorem rsprprmprmidlb

Description: An ideal generated by a single element is a prime iff that element is prime. (Contributed by Thierry Arnoux, 18-May-2025)

Ref Expression
Hypotheses rsprprmprmidlb.0 0 = ( 0g𝑅 )
rsprprmprmidlb.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝑅 )
rsprprmprmidlb.p 𝑃 = ( RPrime ‘ 𝑅 )
rsprprmprmidlb.k 𝐾 = ( RSpan ‘ 𝑅 )
rsprprmprmidlb.r ( 𝜑𝑅 ∈ CRing )
rsprprmprmidlb.x ( 𝜑𝑋𝐵 )
rsprprmprmidlb.1 ( 𝜑𝑋0 )
Assertion rsprprmprmidlb ( 𝜑 → ( 𝑋𝑃 ↔ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rsprprmprmidlb.0 0 = ( 0g𝑅 )
2 rsprprmprmidlb.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝑅 )
3 rsprprmprmidlb.p 𝑃 = ( RPrime ‘ 𝑅 )
4 rsprprmprmidlb.k 𝐾 = ( RSpan ‘ 𝑅 )
5 rsprprmprmidlb.r ( 𝜑𝑅 ∈ CRing )
6 rsprprmprmidlb.x ( 𝜑𝑋𝐵 )
7 rsprprmprmidlb.1 ( 𝜑𝑋0 )
8 5 adantr ( ( 𝜑𝑋𝑃 ) → 𝑅 ∈ CRing )
9 3 a1i ( 𝜑𝑃 = ( RPrime ‘ 𝑅 ) )
10 9 eleq2d ( 𝜑 → ( 𝑋𝑃𝑋 ∈ ( RPrime ‘ 𝑅 ) ) )
11 10 biimpa ( ( 𝜑𝑋𝑃 ) → 𝑋 ∈ ( RPrime ‘ 𝑅 ) )
12 4 8 11 rsprprmprmidl ( ( 𝜑𝑋𝑃 ) → ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) )
13 5 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → 𝑅 ∈ CRing )
14 6 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → 𝑋𝐵 )
15 eqid ( Unit ‘ 𝑅 ) = ( Unit ‘ 𝑅 )
16 eqid ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } )
17 15 4 16 2 14 13 unitpidl1 ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → ( ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) = 𝐵𝑋 ∈ ( Unit ‘ 𝑅 ) ) )
18 17 biimpar ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑋 ∈ ( Unit ‘ 𝑅 ) ) → ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) = 𝐵 )
19 13 crngringd ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → 𝑅 ∈ Ring )
20 eqid ( .r𝑅 ) = ( .r𝑅 )
21 2 20 prmidlnr ( ( 𝑅 ∈ Ring ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ≠ 𝐵 )
22 19 21 sylancom ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ≠ 𝐵 )
23 22 adantr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑋 ∈ ( Unit ‘ 𝑅 ) ) → ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ≠ 𝐵 )
24 23 neneqd ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑋 ∈ ( Unit ‘ 𝑅 ) ) → ¬ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) = 𝐵 )
25 18 24 pm2.65da ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → ¬ 𝑋 ∈ ( Unit ‘ 𝑅 ) )
26 nelsn ( 𝑋0 → ¬ 𝑋 ∈ { 0 } )
27 7 26 syl ( 𝜑 → ¬ 𝑋 ∈ { 0 } )
28 27 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → ¬ 𝑋 ∈ { 0 } )
29 eqid ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } ) = ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } )
30 nelun ( ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } ) = ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } ) → ( ¬ 𝑋 ∈ ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } ) ↔ ( ¬ 𝑋 ∈ ( Unit ‘ 𝑅 ) ∧ ¬ 𝑋 ∈ { 0 } ) ) )
31 29 30 ax-mp ( ¬ 𝑋 ∈ ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } ) ↔ ( ¬ 𝑋 ∈ ( Unit ‘ 𝑅 ) ∧ ¬ 𝑋 ∈ { 0 } ) )
32 25 28 31 sylanbrc ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → ¬ 𝑋 ∈ ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } ) )
33 14 32 eldifd ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → 𝑋 ∈ ( 𝐵 ∖ ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } ) ) )
34 eqid ( ∥r𝑅 ) = ( ∥r𝑅 )
35 19 ad3antrrr ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → 𝑅 ∈ Ring )
36 6 ad4antr ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → 𝑋𝐵 )
37 2 4 34 35 36 ellpi ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ↔ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑥 ) )
38 37 biimpa ( ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) ∧ 𝑥 ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ) → 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑥 )
39 2 4 34 35 36 ellpi ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → ( 𝑦 ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ↔ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑦 ) )
40 39 biimpa ( ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ) → 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑦 )
41 5 ad4antr ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → 𝑅 ∈ CRing )
42 simp-4r ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) )
43 simpllr ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → 𝑥𝐵 )
44 simplr ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → 𝑦𝐵 )
45 19 ad2antrr ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) → 𝑅 ∈ Ring )
46 6 ad3antrrr ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) → 𝑋𝐵 )
47 2 4 34 45 46 ellpi ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) → ( ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ↔ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) )
48 47 biimpar ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) )
49 2 20 prmidlc ( ( ( 𝑅 ∈ CRing ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ ( 𝑥𝐵𝑦𝐵 ∧ ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ) ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∨ 𝑦 ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ) )
50 41 42 43 44 48 49 syl23anc ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → ( 𝑥 ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∨ 𝑦 ∈ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ) )
51 38 40 50 orim12da ( ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) ∧ 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) ) → ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑥𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑦 ) )
52 51 ex ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ 𝑥𝐵 ) ∧ 𝑦𝐵 ) → ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) → ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑥𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑦 ) ) )
53 52 anasss ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) ∧ ( 𝑥𝐵𝑦𝐵 ) ) → ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) → ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑥𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑦 ) ) )
54 53 ralrimivva ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → ∀ 𝑥𝐵𝑦𝐵 ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) → ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑥𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑦 ) ) )
55 2 15 1 34 20 isrprm ( 𝑅 ∈ CRing → ( 𝑋 ∈ ( RPrime ‘ 𝑅 ) ↔ ( 𝑋 ∈ ( 𝐵 ∖ ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } ) ) ∧ ∀ 𝑥𝐵𝑦𝐵 ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) → ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑥𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑦 ) ) ) ) )
56 55 biimpar ( ( 𝑅 ∈ CRing ∧ ( 𝑋 ∈ ( 𝐵 ∖ ( ( Unit ‘ 𝑅 ) ∪ { 0 } ) ) ∧ ∀ 𝑥𝐵𝑦𝐵 ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) ( 𝑥 ( .r𝑅 ) 𝑦 ) → ( 𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑥𝑋 ( ∥r𝑅 ) 𝑦 ) ) ) ) → 𝑋 ∈ ( RPrime ‘ 𝑅 ) )
57 13 33 54 56 syl12anc ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → 𝑋 ∈ ( RPrime ‘ 𝑅 ) )
58 57 3 eleqtrrdi ( ( 𝜑 ∧ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) → 𝑋𝑃 )
59 12 58 impbida ( 𝜑 → ( 𝑋𝑃 ↔ ( 𝐾 ‘ { 𝑋 } ) ∈ ( PrmIdeal ‘ 𝑅 ) ) )