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Theorem dirith2

Description: Dirichlet's theorem: there are infinitely many primes in any arithmetic progression coprime to N . Theorem 9.4.1 of Shapiro, p. 375. (Contributed by Mario Carneiro, 30-Apr-2016) (Proof shortened by Mario Carneiro, 26-May-2016)

Ref Expression
Hypotheses rpvmasum.z ⊢ Z = ℤ/Nℤ
rpvmasum.l ⊢ L = ℤRHom ⁡ Z
rpvmasum.a ⊢ φ → N ∈ ℕ
rpvmasum.u ⊢ U = Unit ⁡ Z
rpvmasum.b ⊢ φ → A ∈ U
rpvmasum.t ⊢ T = L -1 A
Assertion dirith2 ⊢ φ → ℙ ∩ T ≈ ℕ

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rpvmasum.z ⊢ Z = ℤ/Nℤ
2 rpvmasum.l ⊢ L = ℤRHom ⁡ Z
3 rpvmasum.a ⊢ φ → N ∈ ℕ
4 rpvmasum.u ⊢ U = Unit ⁡ Z
5 rpvmasum.b ⊢ φ → A ∈ U
6 rpvmasum.t ⊢ T = L -1 A
7 nnex ⊢ ℕ ∈ V
8 inss1 ⊢ ℙ ∩ T ⊆ ℙ
9 prmssnn ⊢ ℙ ⊆ ℕ
10 8 9 sstri ⊢ ℙ ∩ T ⊆ ℕ
11 ssdomg ⊢ ℕ ∈ V → ℙ ∩ T ⊆ ℕ → ℙ ∩ T ≼ ℕ
12 7 10 11 mp2 ⊢ ℙ ∩ T ≼ ℕ
13 12 a1i ⊢ φ → ℙ ∩ T ≼ ℕ
14 logno1 ⊢ ¬ x ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ x ∈ 𝑂⁡1
15 3 adantr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → N ∈ ℕ
16 15 phicld ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ϕ ⁡ N ∈ ℕ
17 16 nnred ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ϕ ⁡ N ∈ ℝ
18 17 adantr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ x ∈ ℝ + → ϕ ⁡ N ∈ ℝ
19 simpr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ℙ ∩ T ∈ Fin
20 inss2 ⊢ 1 … x ∩ ℙ ∩ T ⊆ ℙ ∩ T
21 ssfi ⊢ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ 1 … x ∩ ℙ ∩ T ⊆ ℙ ∩ T → 1 … x ∩ ℙ ∩ T ∈ Fin
22 19 20 21 sylancl ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → 1 … x ∩ ℙ ∩ T ∈ Fin
23 elinel2 ⊢ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T → n ∈ ℙ ∩ T
24 simpr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → n ∈ ℙ ∩ T
25 10 24 sselid ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → n ∈ ℕ
26 25 nnrpd ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → n ∈ ℝ +
27 relogcl ⊢ n ∈ ℝ + → log ⁡ n ∈ ℝ
28 26 27 syl ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → log ⁡ n ∈ ℝ
29 28 25 nndivred ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → log ⁡ n n ∈ ℝ
30 23 29 sylan2 ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T → log ⁡ n n ∈ ℝ
31 22 30 fsumrecl ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ ℝ
32 31 adantr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ x ∈ ℝ + → ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ ℝ
33 rpssre ⊢ ℝ + ⊆ ℝ
34 17 recnd ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ϕ ⁡ N ∈ ℂ
35 o1const ⊢ ℝ + ⊆ ℝ ∧ ϕ ⁡ N ∈ ℂ → x ∈ ℝ + ⟼ ϕ ⁡ N ∈ 𝑂⁡1
36 33 34 35 sylancr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → x ∈ ℝ + ⟼ ϕ ⁡ N ∈ 𝑂⁡1
37 33 a1i ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ℝ + ⊆ ℝ
38 1red ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → 1 ∈ ℝ
39 19 29 fsumrecl ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ∑ n ∈ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ ℝ
40 log1 ⊢ log ⁡ 1 = 0
41 25 nnge1d ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → 1 ≤ n
42 1rp ⊢ 1 ∈ ℝ +
43 logleb ⊢ 1 ∈ ℝ + ∧ n ∈ ℝ + → 1 ≤ n ↔ log ⁡ 1 ≤ log ⁡ n
44 42 26 43 sylancr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → 1 ≤ n ↔ log ⁡ 1 ≤ log ⁡ n
45 41 44 mpbid ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → log ⁡ 1 ≤ log ⁡ n
46 40 45 eqbrtrrid ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → 0 ≤ log ⁡ n
47 28 26 46 divge0d ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ ℙ ∩ T → 0 ≤ log ⁡ n n
48 20 a1i ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → 1 … x ∩ ℙ ∩ T ⊆ ℙ ∩ T
49 19 29 47 48 fsumless ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ≤ ∑ n ∈ ℙ ∩ T log ⁡ n n
50 49 adantr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ x ∈ ℝ + ∧ 1 ≤ x → ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ≤ ∑ n ∈ ℙ ∩ T log ⁡ n n
51 37 32 38 39 50 ello1d ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → x ∈ ℝ + ⟼ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ ≤𝑂⁡1
52 0red ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → 0 ∈ ℝ
53 23 47 sylan2 ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T → 0 ≤ log ⁡ n n
54 22 30 53 fsumge0 ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → 0 ≤ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n
55 54 adantr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ x ∈ ℝ + → 0 ≤ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n
56 32 52 55 o1lo12 ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → x ∈ ℝ + ⟼ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ 𝑂⁡1 ↔ x ∈ ℝ + ⟼ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ ≤𝑂⁡1
57 51 56 mpbird ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → x ∈ ℝ + ⟼ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ 𝑂⁡1
58 18 32 36 57 o1mul2 ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → x ∈ ℝ + ⟼ ϕ ⁡ N ⁢ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ 𝑂⁡1
59 17 31 remulcld ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ϕ ⁡ N ⁢ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ ℝ
60 59 recnd ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → ϕ ⁡ N ⁢ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ ℂ
61 60 adantr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ x ∈ ℝ + → ϕ ⁡ N ⁢ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ ℂ
62 relogcl ⊢ x ∈ ℝ + → log ⁡ x ∈ ℝ
63 62 adantl ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ x ∈ ℝ + → log ⁡ x ∈ ℝ
64 63 recnd ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin ∧ x ∈ ℝ + → log ⁡ x ∈ ℂ
65 1 2 3 4 5 6 rplogsum ⊢ φ → x ∈ ℝ + ⟼ ϕ ⁡ N ⁢ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n − log ⁡ x ∈ 𝑂⁡1
66 65 adantr ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → x ∈ ℝ + ⟼ ϕ ⁡ N ⁢ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n − log ⁡ x ∈ 𝑂⁡1
67 61 64 66 o1dif ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → x ∈ ℝ + ⟼ ϕ ⁡ N ⁢ ∑ n ∈ 1 … x ∩ ℙ ∩ T log ⁡ n n ∈ 𝑂⁡1 ↔ x ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ x ∈ 𝑂⁡1
68 58 67 mpbid ⊢ φ ∧ ℙ ∩ T ∈ Fin → x ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ x ∈ 𝑂⁡1
69 68 ex ⊢ φ → ℙ ∩ T ∈ Fin → x ∈ ℝ + ⟼ log ⁡ x ∈ 𝑂⁡1
70 14 69 mtoi ⊢ φ → ¬ ℙ ∩ T ∈ Fin
71 nnenom ⊢ ℕ ≈ ω
72 sdomentr ⊢ ℙ ∩ T ≺ ℕ ∧ ℕ ≈ ω → ℙ ∩ T ≺ ω
73 71 72 mpan2 ⊢ ℙ ∩ T ≺ ℕ → ℙ ∩ T ≺ ω
74 isfinite2 ⊢ ℙ ∩ T ≺ ω → ℙ ∩ T ∈ Fin
75 73 74 syl ⊢ ℙ ∩ T ≺ ℕ → ℙ ∩ T ∈ Fin
76 70 75 nsyl ⊢ φ → ¬ ℙ ∩ T ≺ ℕ
77 bren2 ⊢ ℙ ∩ T ≈ ℕ ↔ ℙ ∩ T ≼ ℕ ∧ ¬ ℙ ∩ T ≺ ℕ
78 13 76 77 sylanbrc ⊢ φ → ℙ ∩ T ≈ ℕ