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Theorem 2sqb

Description: The converse to 2sq . (Contributed by Mario Carneiro, 20-Jun-2015)

Ref Expression
Assertion 2sqb ⊢ P ∈ ℙ → ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2 ↔ P = 2 ∨ P mod 4 = 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 df-ne ⊢ P ≠ 2 ↔ ¬ P = 2
2 prmz ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℤ
3 2 ad3antrrr ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 → P ∈ ℤ
4 simplrr ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 → y ∈ ℤ
5 bezout ⊢ P ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ → ∃ a ∈ ℤ ∃ b ∈ ℤ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b
6 3 4 5 syl2anc ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 → ∃ a ∈ ℤ ∃ b ∈ ℤ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b
7 simplll ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 ∧ a ∈ ℤ ∧ b ∈ ℤ ∧ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b → P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2
8 simpllr ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 ∧ a ∈ ℤ ∧ b ∈ ℤ ∧ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b → x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ
9 simplr ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 ∧ a ∈ ℤ ∧ b ∈ ℤ ∧ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b → P = x 2 + y 2
10 simprll ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 ∧ a ∈ ℤ ∧ b ∈ ℤ ∧ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b → a ∈ ℤ
11 simprlr ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 ∧ a ∈ ℤ ∧ b ∈ ℤ ∧ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b → b ∈ ℤ
12 simprr ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 ∧ a ∈ ℤ ∧ b ∈ ℤ ∧ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b → P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b
13 7 8 9 10 11 12 2sqblem ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 ∧ a ∈ ℤ ∧ b ∈ ℤ ∧ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b → P mod 4 = 1
14 13 expr ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 ∧ a ∈ ℤ ∧ b ∈ ℤ → P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b → P mod 4 = 1
15 14 rexlimdvva ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 → ∃ a ∈ ℤ ∃ b ∈ ℤ P gcd y = P ⁢ a + y ⁢ b → P mod 4 = 1
16 6 15 mpd ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ ∧ P = x 2 + y 2 → P mod 4 = 1
17 16 ex ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ → P = x 2 + y 2 → P mod 4 = 1
18 17 rexlimdvva ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 → ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2 → P mod 4 = 1
19 18 impancom ⊢ P ∈ ℙ ∧ ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2 → P ≠ 2 → P mod 4 = 1
20 1 19 biimtrrid ⊢ P ∈ ℙ ∧ ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2 → ¬ P = 2 → P mod 4 = 1
21 20 orrd ⊢ P ∈ ℙ ∧ ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2 → P = 2 ∨ P mod 4 = 1
22 1z ⊢ 1 ∈ ℤ
23 oveq1 ⊢ x = 1 → x 2 = 1 2
24 sq1 ⊢ 1 2 = 1
25 23 24 eqtrdi ⊢ x = 1 → x 2 = 1
26 25 oveq1d ⊢ x = 1 → x 2 + y 2 = 1 + y 2
27 26 eqeq2d ⊢ x = 1 → P = x 2 + y 2 ↔ P = 1 + y 2
28 oveq1 ⊢ y = 1 → y 2 = 1 2
29 28 24 eqtrdi ⊢ y = 1 → y 2 = 1
30 29 oveq2d ⊢ y = 1 → 1 + y 2 = 1 + 1
31 1p1e2 ⊢ 1 + 1 = 2
32 30 31 eqtrdi ⊢ y = 1 → 1 + y 2 = 2
33 32 eqeq2d ⊢ y = 1 → P = 1 + y 2 ↔ P = 2
34 27 33 rspc2ev ⊢ 1 ∈ ℤ ∧ 1 ∈ ℤ ∧ P = 2 → ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2
35 22 22 34 mp3an12 ⊢ P = 2 → ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2
36 35 adantl ⊢ P ∈ ℙ ∧ P = 2 → ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2
37 2sq ⊢ P ∈ ℙ ∧ P mod 4 = 1 → ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2
38 36 37 jaodan ⊢ P ∈ ℙ ∧ P = 2 ∨ P mod 4 = 1 → ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2
39 21 38 impbida ⊢ P ∈ ℙ → ∃ x ∈ ℤ ∃ y ∈ ℤ P = x 2 + y 2 ↔ P = 2 ∨ P mod 4 = 1