Metamath Proof Explorer


Theorem constrllcllem

Description: Constructible numbers are closed under line-line intersections. (Contributed by Thierry Arnoux, 2-Nov-2025)

Ref Expression
Hypotheses constr0.1 ⊢ C = rec ⁡ s ∈ V ⟼ x ∈ ℂ | ∃ a ∈ s ∃ b ∈ s ∃ c ∈ s ∃ d ∈ s ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ x = a + t ⁢ b − a ∧ x = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ∨ ∃ a ∈ s ∃ b ∈ s ∃ c ∈ s ∃ e ∈ s ∃ f ∈ s ∃ t ∈ ℝ x = a + t ⁢ b − a ∧ x − c = e − f ∨ ∃ a ∈ s ∃ b ∈ s ∃ c ∈ s ∃ d ∈ s ∃ e ∈ s ∃ f ∈ s a ≠ d ∧ x − a = b − c ∧ x − d = e − f 0 1
constrllcllem.a ⊢ φ → A ∈ Constr
constrllcllem.b ⊢ φ → B ∈ Constr
constrllcllem.c ⊢ φ → G ∈ Constr
constrllcllem.e ⊢ φ → D ∈ Constr
constrllcllem.t ⊢ φ → T ∈ ℝ
constrllcllem.r ⊢ φ → R ∈ ℝ
constrllcllem.x ⊢ φ → X ∈ ℂ
constrllcllem.1 ⊢ φ → X = A + T ⁢ B − A
constrllcllem.2 ⊢ φ → X = G + R ⁢ D − G
constrllcllem.3 ⊢ φ → ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0
Assertion constrllcllem ⊢ φ → X ∈ Constr

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 constr0.1 ⊢ C = rec ⁡ s ∈ V ⟼ x ∈ ℂ | ∃ a ∈ s ∃ b ∈ s ∃ c ∈ s ∃ d ∈ s ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ x = a + t ⁢ b − a ∧ x = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ∨ ∃ a ∈ s ∃ b ∈ s ∃ c ∈ s ∃ e ∈ s ∃ f ∈ s ∃ t ∈ ℝ x = a + t ⁢ b − a ∧ x − c = e − f ∨ ∃ a ∈ s ∃ b ∈ s ∃ c ∈ s ∃ d ∈ s ∃ e ∈ s ∃ f ∈ s a ≠ d ∧ x − a = b − c ∧ x − d = e − f 0 1
2 constrllcllem.a ⊢ φ → A ∈ Constr
3 constrllcllem.b ⊢ φ → B ∈ Constr
4 constrllcllem.c ⊢ φ → G ∈ Constr
5 constrllcllem.e ⊢ φ → D ∈ Constr
6 constrllcllem.t ⊢ φ → T ∈ ℝ
7 constrllcllem.r ⊢ φ → R ∈ ℝ
8 constrllcllem.x ⊢ φ → X ∈ ℂ
9 constrllcllem.1 ⊢ φ → X = A + T ⁢ B − A
10 constrllcllem.2 ⊢ φ → X = G + R ⁢ D − G
11 constrllcllem.3 ⊢ φ → ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0
12 peano2b ⊢ n ∈ ω ↔ suc ⁡ n ∈ ω
13 12 biimpi ⊢ n ∈ ω → suc ⁡ n ∈ ω
14 13 ad2antlr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → suc ⁡ n ∈ ω
15 fveq2 ⊢ m = suc ⁡ n → C ⁡ m = C ⁡ suc ⁡ n
16 15 eleq2d ⊢ m = suc ⁡ n → X ∈ C ⁡ m ↔ X ∈ C ⁡ suc ⁡ n
17 16 adantl ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n ∧ m = suc ⁡ n → X ∈ C ⁡ m ↔ X ∈ C ⁡ suc ⁡ n
18 8 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → X ∈ ℂ
19 id ⊢ a = A → a = A
20 oveq2 ⊢ a = A → b − a = b − A
21 20 oveq2d ⊢ a = A → t ⁢ b − a = t ⁢ b − A
22 19 21 oveq12d ⊢ a = A → a + t ⁢ b − a = A + t ⁢ b − A
23 22 eqeq2d ⊢ a = A → X = a + t ⁢ b − a ↔ X = A + t ⁢ b − A
24 20 fveq2d ⊢ a = A → b − a ‾ = b − A ‾
25 24 oveq1d ⊢ a = A → b − a ‾ ⁢ d − c = b − A ‾ ⁢ d − c
26 25 fveq2d ⊢ a = A → ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c = ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c
27 26 neeq1d ⊢ a = A → ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0
28 23 27 3anbi13d ⊢ a = A → X = a + t ⁢ b − a ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ X = A + t ⁢ b − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0
29 28 rexbidv ⊢ a = A → ∃ r ∈ ℝ X = a + t ⁢ b − a ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ b − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0
30 29 2rexbidv ⊢ a = A → ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = a + t ⁢ b − a ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ b − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0
31 oveq1 ⊢ b = B → b − A = B − A
32 31 oveq2d ⊢ b = B → t ⁢ b − A = t ⁢ B − A
33 32 oveq2d ⊢ b = B → A + t ⁢ b − A = A + t ⁢ B − A
34 33 eqeq2d ⊢ b = B → X = A + t ⁢ b − A ↔ X = A + t ⁢ B − A
35 31 fveq2d ⊢ b = B → b − A ‾ = B − A ‾
36 35 oveq1d ⊢ b = B → b − A ‾ ⁢ d − c = B − A ‾ ⁢ d − c
37 36 fveq2d ⊢ b = B → ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c = ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c
38 37 neeq1d ⊢ b = B → ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0
39 34 38 3anbi13d ⊢ b = B → X = A + t ⁢ b − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0
40 39 rexbidv ⊢ b = B → ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ b − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0
41 40 2rexbidv ⊢ b = B → ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ b − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0
42 id ⊢ c = G → c = G
43 oveq2 ⊢ c = G → d − c = d − G
44 43 oveq2d ⊢ c = G → r ⁢ d − c = r ⁢ d − G
45 42 44 oveq12d ⊢ c = G → c + r ⁢ d − c = G + r ⁢ d − G
46 45 eqeq2d ⊢ c = G → X = c + r ⁢ d − c ↔ X = G + r ⁢ d − G
47 43 oveq2d ⊢ c = G → B − A ‾ ⁢ d − c = B − A ‾ ⁢ d − G
48 47 fveq2d ⊢ c = G → ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c = ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − G
49 48 neeq1d ⊢ c = G → ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − G ≠ 0
50 46 49 3anbi23d ⊢ c = G → X = A + t ⁢ B − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = G + r ⁢ d − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − G ≠ 0
51 50 rexbidv ⊢ c = G → ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = G + r ⁢ d − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − G ≠ 0
52 51 2rexbidv ⊢ c = G → ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ↔ ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = G + r ⁢ d − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − G ≠ 0
53 2 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → A ∈ Constr
54 simpr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n
55 54 unssad ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → A B ⊆ C ⁡ n
56 53 55 prssad ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → A ∈ C ⁡ n
57 3 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → B ∈ Constr
58 57 55 prssbd ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → B ∈ C ⁡ n
59 4 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → G ∈ Constr
60 54 unssbd ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → G D ⊆ C ⁡ n
61 59 60 prssad ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → G ∈ C ⁡ n
62 oveq1 ⊢ d = D → d − G = D − G
63 62 oveq2d ⊢ d = D → r ⁢ d − G = r ⁢ D − G
64 63 oveq2d ⊢ d = D → G + r ⁢ d − G = G + r ⁢ D − G
65 64 eqeq2d ⊢ d = D → X = G + r ⁢ d − G ↔ X = G + r ⁢ D − G
66 62 oveq2d ⊢ d = D → B − A ‾ ⁢ d − G = B − A ‾ ⁢ D − G
67 66 fveq2d ⊢ d = D → ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − G = ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G
68 67 neeq1d ⊢ d = D → ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − G ≠ 0 ↔ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0
69 65 68 3anbi23d ⊢ d = D → X = A + t ⁢ B − A ∧ X = G + r ⁢ d − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − G ≠ 0 ↔ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = G + r ⁢ D − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0
70 oveq1 ⊢ t = T → t ⁢ B − A = T ⁢ B − A
71 70 oveq2d ⊢ t = T → A + t ⁢ B − A = A + T ⁢ B − A
72 71 eqeq2d ⊢ t = T → X = A + t ⁢ B − A ↔ X = A + T ⁢ B − A
73 72 3anbi1d ⊢ t = T → X = A + t ⁢ B − A ∧ X = G + r ⁢ D − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0 ↔ X = A + T ⁢ B − A ∧ X = G + r ⁢ D − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0
74 oveq1 ⊢ r = R → r ⁢ D − G = R ⁢ D − G
75 74 oveq2d ⊢ r = R → G + r ⁢ D − G = G + R ⁢ D − G
76 75 eqeq2d ⊢ r = R → X = G + r ⁢ D − G ↔ X = G + R ⁢ D − G
77 76 3anbi2d ⊢ r = R → X = A + T ⁢ B − A ∧ X = G + r ⁢ D − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0 ↔ X = A + T ⁢ B − A ∧ X = G + R ⁢ D − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0
78 5 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → D ∈ Constr
79 78 60 prssbd ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → D ∈ C ⁡ n
80 6 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → T ∈ ℝ
81 7 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → R ∈ ℝ
82 9 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → X = A + T ⁢ B − A
83 10 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → X = G + R ⁢ D − G
84 11 ad2antrr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0
85 82 83 84 3jca ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → X = A + T ⁢ B − A ∧ X = G + R ⁢ D − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ D − G ≠ 0
86 69 73 77 79 80 81 85 3rspcedvdw ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = A + t ⁢ B − A ∧ X = G + r ⁢ d − G ∧ ℑ ⁡ B − A ‾ ⁢ d − G ≠ 0
87 30 41 52 56 58 61 86 3rspcedvdw ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → ∃ a ∈ C ⁡ n ∃ b ∈ C ⁡ n ∃ c ∈ C ⁡ n ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = a + t ⁢ b − a ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c ≠ 0
88 87 3mix1d ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → ∃ a ∈ C ⁡ n ∃ b ∈ C ⁡ n ∃ c ∈ C ⁡ n ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = a + t ⁢ b − a ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ∨ ∃ a ∈ C ⁡ n ∃ b ∈ C ⁡ n ∃ c ∈ C ⁡ n ∃ e ∈ C ⁡ n ∃ f ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ X = a + t ⁢ b − a ∧ X − c = e − f ∨ ∃ a ∈ C ⁡ n ∃ b ∈ C ⁡ n ∃ c ∈ C ⁡ n ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ e ∈ C ⁡ n ∃ f ∈ C ⁡ n a ≠ d ∧ X − a = b − c ∧ X − d = e − f
89 nnon ⊢ n ∈ ω → n ∈ On
90 89 ad2antlr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → n ∈ On
91 eqid ⊢ C ⁡ n = C ⁡ n
92 1 90 91 constrsuc ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → X ∈ C ⁡ suc ⁡ n ↔ X ∈ ℂ ∧ ∃ a ∈ C ⁡ n ∃ b ∈ C ⁡ n ∃ c ∈ C ⁡ n ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ ∃ r ∈ ℝ X = a + t ⁢ b − a ∧ X = c + r ⁢ d − c ∧ ℑ ⁡ b − a ‾ ⁢ d − c ≠ 0 ∨ ∃ a ∈ C ⁡ n ∃ b ∈ C ⁡ n ∃ c ∈ C ⁡ n ∃ e ∈ C ⁡ n ∃ f ∈ C ⁡ n ∃ t ∈ ℝ X = a + t ⁢ b − a ∧ X − c = e − f ∨ ∃ a ∈ C ⁡ n ∃ b ∈ C ⁡ n ∃ c ∈ C ⁡ n ∃ d ∈ C ⁡ n ∃ e ∈ C ⁡ n ∃ f ∈ C ⁡ n a ≠ d ∧ X − a = b − c ∧ X − d = e − f
93 18 88 92 mpbir2and ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → X ∈ C ⁡ suc ⁡ n
94 14 17 93 rspcedvd ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → ∃ m ∈ ω X ∈ C ⁡ m
95 1 isconstr ⊢ X ∈ Constr ↔ ∃ m ∈ ω X ∈ C ⁡ m
96 94 95 sylibr ⊢ φ ∧ n ∈ ω ∧ A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n → X ∈ Constr
97 2 3 prssd ⊢ φ → A B ⊆ Constr
98 4 5 prssd ⊢ φ → G D ⊆ Constr
99 97 98 unssd ⊢ φ → A B ∪ G D ⊆ Constr
100 prfi ⊢ A B ∈ Fin
101 100 a1i ⊢ φ → A B ∈ Fin
102 prfi ⊢ G D ∈ Fin
103 102 a1i ⊢ φ → G D ∈ Fin
104 101 103 unfid ⊢ φ → A B ∪ G D ∈ Fin
105 1 99 104 constrfiss ⊢ φ → ∃ n ∈ ω A B ∪ G D ⊆ C ⁡ n
106 96 105 r19.29a ⊢ φ → X ∈ Constr