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Theorem archiabllem1a

Description: Lemma for archiabl : In case an archimedean group W admits a smallest positive element U , then any positive element X of W can be written as ( n .x. U ) with n e. NN . Since the reciprocal holds for negative elements, W is then isomorphic to ZZ . (Contributed by Thierry Arnoux, 12-Apr-2018)

Ref Expression
Hypotheses archiabllem.b ⊢ B = Base W
archiabllem.0 ⊢ 0 ˙ = 0 W
archiabllem.e ⊢ ≤ ˙ = ≤ W
archiabllem.t ⊢ < ˙ = < W
archiabllem.m ⊢ · ˙ = ⋅ W
archiabllem.g ⊢ φ → W ∈ oGrp
archiabllem.a ⊢ φ → W ∈ Archi
archiabllem1.u ⊢ φ → U ∈ B
archiabllem1.p ⊢ φ → 0 ˙ < ˙ U
archiabllem1.s ⊢ φ ∧ x ∈ B ∧ 0 ˙ < ˙ x → U ≤ ˙ x
archiabllem1a.x ⊢ φ → X ∈ B
archiabllem1a.c ⊢ φ → 0 ˙ < ˙ X
Assertion archiabllem1a ⊢ φ → ∃ n ∈ ℕ X = n · ˙ U

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 archiabllem.b ⊢ B = Base W
2 archiabllem.0 ⊢ 0 ˙ = 0 W
3 archiabllem.e ⊢ ≤ ˙ = ≤ W
4 archiabllem.t ⊢ < ˙ = < W
5 archiabllem.m ⊢ · ˙ = ⋅ W
6 archiabllem.g ⊢ φ → W ∈ oGrp
7 archiabllem.a ⊢ φ → W ∈ Archi
8 archiabllem1.u ⊢ φ → U ∈ B
9 archiabllem1.p ⊢ φ → 0 ˙ < ˙ U
10 archiabllem1.s ⊢ φ ∧ x ∈ B ∧ 0 ˙ < ˙ x → U ≤ ˙ x
11 archiabllem1a.x ⊢ φ → X ∈ B
12 archiabllem1a.c ⊢ φ → 0 ˙ < ˙ X
13 simplr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m ∈ ℕ 0
14 nn0p1nn ⊢ m ∈ ℕ 0 → m + 1 ∈ ℕ
15 13 14 syl ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m + 1 ∈ ℕ
16 8 ad2antrr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → U ∈ B
17 1 5 mulg1 ⊢ U ∈ B → 1 · ˙ U = U
18 16 17 syl ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → 1 · ˙ U = U
19 18 oveq1d ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → 1 · ˙ U + W m · ˙ U = U + W m · ˙ U
20 6 ad2antrr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → W ∈ oGrp
21 ogrpgrp ⊢ W ∈ oGrp → W ∈ Grp
22 20 21 syl ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → W ∈ Grp
23 1zzd ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → 1 ∈ ℤ
24 13 nn0zd ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m ∈ ℤ
25 eqid ⊢ + W = + W
26 1 5 25 mulgdir ⊢ W ∈ Grp ∧ 1 ∈ ℤ ∧ m ∈ ℤ ∧ U ∈ B → 1 + m · ˙ U = 1 · ˙ U + W m · ˙ U
27 22 23 24 16 26 syl13anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → 1 + m · ˙ U = 1 · ˙ U + W m · ˙ U
28 isogrp ⊢ W ∈ oGrp ↔ W ∈ Grp ∧ W ∈ oMnd
29 28 simprbi ⊢ W ∈ oGrp → W ∈ oMnd
30 omndtos ⊢ W ∈ oMnd → W ∈ Toset
31 tospos ⊢ W ∈ Toset → W ∈ Poset
32 20 29 30 31 4syl ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → W ∈ Poset
33 11 ad2antrr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X ∈ B
34 1 5 mulgcl ⊢ W ∈ Grp ∧ m ∈ ℤ ∧ U ∈ B → m · ˙ U ∈ B
35 22 24 16 34 syl3anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m · ˙ U ∈ B
36 eqid ⊢ - W = - W
37 1 36 grpsubcl ⊢ W ∈ Grp ∧ X ∈ B ∧ m · ˙ U ∈ B → X - W m · ˙ U ∈ B
38 22 33 35 37 syl3anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X - W m · ˙ U ∈ B
39 24 peano2zd ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m + 1 ∈ ℤ
40 1 5 mulgcl ⊢ W ∈ Grp ∧ m + 1 ∈ ℤ ∧ U ∈ B → m + 1 · ˙ U ∈ B
41 22 39 16 40 syl3anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m + 1 · ˙ U ∈ B
42 simprr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U
43 1 3 36 ogrpsub ⊢ W ∈ oGrp ∧ X ∈ B ∧ m + 1 · ˙ U ∈ B ∧ m · ˙ U ∈ B ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X - W m · ˙ U ≤ ˙ m + 1 · ˙ U - W m · ˙ U
44 20 33 41 35 42 43 syl131anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X - W m · ˙ U ≤ ˙ m + 1 · ˙ U - W m · ˙ U
45 13 nn0cnd ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m ∈ ℂ
46 1cnd ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → 1 ∈ ℂ
47 45 46 pncan2d ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m + 1 - m = 1
48 47 oveq1d ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m + 1 - m · ˙ U = 1 · ˙ U
49 1 5 36 mulgsubdir ⊢ W ∈ Grp ∧ m + 1 ∈ ℤ ∧ m ∈ ℤ ∧ U ∈ B → m + 1 - m · ˙ U = m + 1 · ˙ U - W m · ˙ U
50 22 39 24 16 49 syl13anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m + 1 - m · ˙ U = m + 1 · ˙ U - W m · ˙ U
51 48 50 18 3eqtr3d ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m + 1 · ˙ U - W m · ˙ U = U
52 44 51 breqtrd ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X - W m · ˙ U ≤ ˙ U
53 10 3expia ⊢ φ ∧ x ∈ B → 0 ˙ < ˙ x → U ≤ ˙ x
54 53 ralrimiva ⊢ φ → ∀ x ∈ B 0 ˙ < ˙ x → U ≤ ˙ x
55 54 ad2antrr ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → ∀ x ∈ B 0 ˙ < ˙ x → U ≤ ˙ x
56 1 2 36 grpsubid ⊢ W ∈ Grp ∧ m · ˙ U ∈ B → m · ˙ U - W m · ˙ U = 0 ˙
57 22 35 56 syl2anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m · ˙ U - W m · ˙ U = 0 ˙
58 simprl ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m · ˙ U < ˙ X
59 1 4 36 ogrpsublt ⊢ W ∈ oGrp ∧ m · ˙ U ∈ B ∧ X ∈ B ∧ m · ˙ U ∈ B ∧ m · ˙ U < ˙ X → m · ˙ U - W m · ˙ U < ˙ X - W m · ˙ U
60 20 35 33 35 58 59 syl131anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → m · ˙ U - W m · ˙ U < ˙ X - W m · ˙ U
61 57 60 eqbrtrrd ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → 0 ˙ < ˙ X - W m · ˙ U
62 breq2 ⊢ x = X - W m · ˙ U → 0 ˙ < ˙ x ↔ 0 ˙ < ˙ X - W m · ˙ U
63 breq2 ⊢ x = X - W m · ˙ U → U ≤ ˙ x ↔ U ≤ ˙ X - W m · ˙ U
64 62 63 imbi12d ⊢ x = X - W m · ˙ U → 0 ˙ < ˙ x → U ≤ ˙ x ↔ 0 ˙ < ˙ X - W m · ˙ U → U ≤ ˙ X - W m · ˙ U
65 64 rspcv ⊢ X - W m · ˙ U ∈ B → ∀ x ∈ B 0 ˙ < ˙ x → U ≤ ˙ x → 0 ˙ < ˙ X - W m · ˙ U → U ≤ ˙ X - W m · ˙ U
66 38 55 61 65 syl3c ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → U ≤ ˙ X - W m · ˙ U
67 1 3 posasymb ⊢ W ∈ Poset ∧ X - W m · ˙ U ∈ B ∧ U ∈ B → X - W m · ˙ U ≤ ˙ U ∧ U ≤ ˙ X - W m · ˙ U ↔ X - W m · ˙ U = U
68 67 biimpa ⊢ W ∈ Poset ∧ X - W m · ˙ U ∈ B ∧ U ∈ B ∧ X - W m · ˙ U ≤ ˙ U ∧ U ≤ ˙ X - W m · ˙ U → X - W m · ˙ U = U
69 32 38 16 52 66 68 syl32anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X - W m · ˙ U = U
70 69 oveq1d ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X - W m · ˙ U + W m · ˙ U = U + W m · ˙ U
71 19 27 70 3eqtr4rd ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X - W m · ˙ U + W m · ˙ U = 1 + m · ˙ U
72 1 25 36 grpnpcan ⊢ W ∈ Grp ∧ X ∈ B ∧ m · ˙ U ∈ B → X - W m · ˙ U + W m · ˙ U = X
73 22 33 35 72 syl3anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X - W m · ˙ U + W m · ˙ U = X
74 46 45 addcomd ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → 1 + m = m + 1
75 74 oveq1d ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → 1 + m · ˙ U = m + 1 · ˙ U
76 71 73 75 3eqtr3d ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → X = m + 1 · ˙ U
77 oveq1 ⊢ n = m + 1 → n · ˙ U = m + 1 · ˙ U
78 77 rspceeqv ⊢ m + 1 ∈ ℕ ∧ X = m + 1 · ˙ U → ∃ n ∈ ℕ X = n · ˙ U
79 15 76 78 syl2anc ⊢ φ ∧ m ∈ ℕ 0 ∧ m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U → ∃ n ∈ ℕ X = n · ˙ U
80 1 2 4 3 5 6 7 8 11 9 12 archirng ⊢ φ → ∃ m ∈ ℕ 0 m · ˙ U < ˙ X ∧ X ≤ ˙ m + 1 · ˙ U
81 79 80 r19.29a ⊢ φ → ∃ n ∈ ℕ X = n · ˙ U