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Theorem lgsqrlem4

Description: Lemma for lgsqr . (Contributed by Mario Carneiro, 15-Jun-2015)

Ref Expression
Hypotheses lgsqr.y ⊢ Y = ℤ/Pℤ
lgsqr.s ⊢ S = Poly 1 ⁡ Y
lgsqr.b ⊢ B = Base S
lgsqr.d ⊢ D = deg 1 ⁡ Y
lgsqr.o ⊢ O = eval 1 ⁡ Y
lgsqr.e ⊢ × ˙ = ⋅ mulGrp S
lgsqr.x ⊢ X = var 1 ⁡ Y
lgsqr.m ⊢ - ˙ = - S
lgsqr.u ⊢ 1 ˙ = 1 S
lgsqr.t ⊢ T = P − 1 2 × ˙ X - ˙ 1 ˙
lgsqr.l ⊢ L = ℤRHom ⁡ Y
lgsqr.1 ⊢ φ → P ∈ ℙ ∖ 2
lgsqr.g ⊢ G = y ∈ 1 … P − 1 2 ⟼ L ⁡ y 2
lgsqr.3 ⊢ φ → A ∈ ℤ
lgsqr.4 ⊢ φ → A / L P = 1
Assertion lgsqrlem4 ⊢ φ → ∃ x ∈ ℤ P ∥ x 2 − A

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lgsqr.y ⊢ Y = ℤ/Pℤ
2 lgsqr.s ⊢ S = Poly 1 ⁡ Y
3 lgsqr.b ⊢ B = Base S
4 lgsqr.d ⊢ D = deg 1 ⁡ Y
5 lgsqr.o ⊢ O = eval 1 ⁡ Y
6 lgsqr.e ⊢ × ˙ = ⋅ mulGrp S
7 lgsqr.x ⊢ X = var 1 ⁡ Y
8 lgsqr.m ⊢ - ˙ = - S
9 lgsqr.u ⊢ 1 ˙ = 1 S
10 lgsqr.t ⊢ T = P − 1 2 × ˙ X - ˙ 1 ˙
11 lgsqr.l ⊢ L = ℤRHom ⁡ Y
12 lgsqr.1 ⊢ φ → P ∈ ℙ ∖ 2
13 lgsqr.g ⊢ G = y ∈ 1 … P − 1 2 ⟼ L ⁡ y 2
14 lgsqr.3 ⊢ φ → A ∈ ℤ
15 lgsqr.4 ⊢ φ → A / L P = 1
16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 lgsqrlem2 ⊢ φ → G : 1 … P − 1 2 ⟶ 1-1 O ⁡ T -1 0 Y
17 fvex ⊢ O ⁡ T ∈ V
18 17 cnvex ⊢ O ⁡ T -1 ∈ V
19 18 imaex ⊢ O ⁡ T -1 0 Y ∈ V
20 19 f1dom ⊢ G : 1 … P − 1 2 ⟶ 1-1 O ⁡ T -1 0 Y → 1 … P − 1 2 ≼ O ⁡ T -1 0 Y
21 16 20 syl ⊢ φ → 1 … P − 1 2 ≼ O ⁡ T -1 0 Y
22 eqid ⊢ 0 Y = 0 Y
23 eqid ⊢ 0 S = 0 S
24 12 eldifad ⊢ φ → P ∈ ℙ
25 1 znfld ⊢ P ∈ ℙ → Y ∈ Field
26 24 25 syl ⊢ φ → Y ∈ Field
27 fldidom ⊢ Y ∈ Field → Y ∈ IDomn
28 26 27 syl ⊢ φ → Y ∈ IDomn
29 isidom ⊢ Y ∈ IDomn ↔ Y ∈ CRing ∧ Y ∈ Domn
30 29 simplbi ⊢ Y ∈ IDomn → Y ∈ CRing
31 28 30 syl ⊢ φ → Y ∈ CRing
32 crngring ⊢ Y ∈ CRing → Y ∈ Ring
33 31 32 syl ⊢ φ → Y ∈ Ring
34 2 ply1ring ⊢ Y ∈ Ring → S ∈ Ring
35 33 34 syl ⊢ φ → S ∈ Ring
36 ringgrp ⊢ S ∈ Ring → S ∈ Grp
37 35 36 syl ⊢ φ → S ∈ Grp
38 eqid ⊢ mulGrp S = mulGrp S
39 38 3 mgpbas ⊢ B = Base mulGrp S
40 38 ringmgp ⊢ S ∈ Ring → mulGrp S ∈ Mnd
41 35 40 syl ⊢ φ → mulGrp S ∈ Mnd
42 oddprm ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 2 ∈ ℕ
43 12 42 syl ⊢ φ → P − 1 2 ∈ ℕ
44 43 nnnn0d ⊢ φ → P − 1 2 ∈ ℕ 0
45 7 2 3 vr1cl ⊢ Y ∈ Ring → X ∈ B
46 33 45 syl ⊢ φ → X ∈ B
47 39 6 41 44 46 mulgnn0cld ⊢ φ → P − 1 2 × ˙ X ∈ B
48 3 9 ringidcl ⊢ S ∈ Ring → 1 ˙ ∈ B
49 35 48 syl ⊢ φ → 1 ˙ ∈ B
50 3 8 grpsubcl ⊢ S ∈ Grp ∧ P − 1 2 × ˙ X ∈ B ∧ 1 ˙ ∈ B → P − 1 2 × ˙ X - ˙ 1 ˙ ∈ B
51 37 47 49 50 syl3anc ⊢ φ → P − 1 2 × ˙ X - ˙ 1 ˙ ∈ B
52 10 51 eqeltrid ⊢ φ → T ∈ B
53 10 fveq2i ⊢ D ⁡ T = D ⁡ P − 1 2 × ˙ X - ˙ 1 ˙
54 43 nngt0d ⊢ φ → 0 < P − 1 2
55 eqid ⊢ algSc ⁡ S = algSc ⁡ S
56 eqid ⊢ 1 Y = 1 Y
57 2 55 56 9 ply1scl1 ⊢ Y ∈ Ring → algSc ⁡ S ⁡ 1 Y = 1 ˙
58 33 57 syl ⊢ φ → algSc ⁡ S ⁡ 1 Y = 1 ˙
59 58 fveq2d ⊢ φ → D ⁡ algSc ⁡ S ⁡ 1 Y = D ⁡ 1 ˙
60 eqid ⊢ Base Y = Base Y
61 60 56 ringidcl ⊢ Y ∈ Ring → 1 Y ∈ Base Y
62 33 61 syl ⊢ φ → 1 Y ∈ Base Y
63 domnnzr ⊢ Y ∈ Domn → Y ∈ NzRing
64 29 63 simplbiim ⊢ Y ∈ IDomn → Y ∈ NzRing
65 28 64 syl ⊢ φ → Y ∈ NzRing
66 56 22 nzrnz ⊢ Y ∈ NzRing → 1 Y ≠ 0 Y
67 65 66 syl ⊢ φ → 1 Y ≠ 0 Y
68 4 2 60 55 22 deg1scl ⊢ Y ∈ Ring ∧ 1 Y ∈ Base Y ∧ 1 Y ≠ 0 Y → D ⁡ algSc ⁡ S ⁡ 1 Y = 0
69 33 62 67 68 syl3anc ⊢ φ → D ⁡ algSc ⁡ S ⁡ 1 Y = 0
70 59 69 eqtr3d ⊢ φ → D ⁡ 1 ˙ = 0
71 4 2 7 38 6 deg1pw ⊢ Y ∈ NzRing ∧ P − 1 2 ∈ ℕ 0 → D ⁡ P − 1 2 × ˙ X = P − 1 2
72 65 44 71 syl2anc ⊢ φ → D ⁡ P − 1 2 × ˙ X = P − 1 2
73 54 70 72 3brtr4d ⊢ φ → D ⁡ 1 ˙ < D ⁡ P − 1 2 × ˙ X
74 2 4 33 3 8 47 49 73 deg1sub ⊢ φ → D ⁡ P − 1 2 × ˙ X - ˙ 1 ˙ = D ⁡ P − 1 2 × ˙ X
75 53 74 eqtrid ⊢ φ → D ⁡ T = D ⁡ P − 1 2 × ˙ X
76 75 72 eqtrd ⊢ φ → D ⁡ T = P − 1 2
77 76 44 eqeltrd ⊢ φ → D ⁡ T ∈ ℕ 0
78 4 2 23 3 deg1nn0clb ⊢ Y ∈ Ring ∧ T ∈ B → T ≠ 0 S ↔ D ⁡ T ∈ ℕ 0
79 33 52 78 syl2anc ⊢ φ → T ≠ 0 S ↔ D ⁡ T ∈ ℕ 0
80 77 79 mpbird ⊢ φ → T ≠ 0 S
81 2 3 4 5 22 23 28 52 80 fta1g ⊢ φ → O ⁡ T -1 0 Y ≤ D ⁡ T
82 81 76 breqtrd ⊢ φ → O ⁡ T -1 0 Y ≤ P − 1 2
83 hashfz1 ⊢ P − 1 2 ∈ ℕ 0 → 1 … P − 1 2 = P − 1 2
84 44 83 syl ⊢ φ → 1 … P − 1 2 = P − 1 2
85 82 84 breqtrrd ⊢ φ → O ⁡ T -1 0 Y ≤ 1 … P − 1 2
86 hashbnd ⊢ O ⁡ T -1 0 Y ∈ V ∧ P − 1 2 ∈ ℕ 0 ∧ O ⁡ T -1 0 Y ≤ P − 1 2 → O ⁡ T -1 0 Y ∈ Fin
87 19 44 82 86 mp3an2i ⊢ φ → O ⁡ T -1 0 Y ∈ Fin
88 fzfid ⊢ φ → 1 … P − 1 2 ∈ Fin
89 hashdom ⊢ O ⁡ T -1 0 Y ∈ Fin ∧ 1 … P − 1 2 ∈ Fin → O ⁡ T -1 0 Y ≤ 1 … P − 1 2 ↔ O ⁡ T -1 0 Y ≼ 1 … P − 1 2
90 87 88 89 syl2anc ⊢ φ → O ⁡ T -1 0 Y ≤ 1 … P − 1 2 ↔ O ⁡ T -1 0 Y ≼ 1 … P − 1 2
91 85 90 mpbid ⊢ φ → O ⁡ T -1 0 Y ≼ 1 … P − 1 2
92 sbth ⊢ 1 … P − 1 2 ≼ O ⁡ T -1 0 Y ∧ O ⁡ T -1 0 Y ≼ 1 … P − 1 2 → 1 … P − 1 2 ≈ O ⁡ T -1 0 Y
93 21 91 92 syl2anc ⊢ φ → 1 … P − 1 2 ≈ O ⁡ T -1 0 Y
94 f1finf1o ⊢ 1 … P − 1 2 ≈ O ⁡ T -1 0 Y ∧ O ⁡ T -1 0 Y ∈ Fin → G : 1 … P − 1 2 ⟶ 1-1 O ⁡ T -1 0 Y ↔ G : 1 … P − 1 2 ⟶ 1-1 onto O ⁡ T -1 0 Y
95 93 87 94 syl2anc ⊢ φ → G : 1 … P − 1 2 ⟶ 1-1 O ⁡ T -1 0 Y ↔ G : 1 … P − 1 2 ⟶ 1-1 onto O ⁡ T -1 0 Y
96 16 95 mpbid ⊢ φ → G : 1 … P − 1 2 ⟶ 1-1 onto O ⁡ T -1 0 Y
97 f1ocnv ⊢ G : 1 … P − 1 2 ⟶ 1-1 onto O ⁡ T -1 0 Y → G -1 : O ⁡ T -1 0 Y ⟶ 1-1 onto 1 … P − 1 2
98 f1of ⊢ G -1 : O ⁡ T -1 0 Y ⟶ 1-1 onto 1 … P − 1 2 → G -1 : O ⁡ T -1 0 Y ⟶ 1 … P − 1 2
99 96 97 98 3syl ⊢ φ → G -1 : O ⁡ T -1 0 Y ⟶ 1 … P − 1 2
100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 lgsqrlem3 ⊢ φ → L ⁡ A ∈ O ⁡ T -1 0 Y
101 99 100 ffvelcdmd ⊢ φ → G -1 ⁡ L ⁡ A ∈ 1 … P − 1 2
102 101 elfzelzd ⊢ φ → G -1 ⁡ L ⁡ A ∈ ℤ
103 fvoveq1 ⊢ x = G -1 ⁡ L ⁡ A → L ⁡ x 2 = L ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A 2
104 fvoveq1 ⊢ y = x → L ⁡ y 2 = L ⁡ x 2
105 104 cbvmptv ⊢ y ∈ 1 … P − 1 2 ⟼ L ⁡ y 2 = x ∈ 1 … P − 1 2 ⟼ L ⁡ x 2
106 13 105 eqtri ⊢ G = x ∈ 1 … P − 1 2 ⟼ L ⁡ x 2
107 fvex ⊢ L ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 ∈ V
108 103 106 107 fvmpt ⊢ G -1 ⁡ L ⁡ A ∈ 1 … P − 1 2 → G ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A = L ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A 2
109 101 108 syl ⊢ φ → G ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A = L ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A 2
110 f1ocnvfv2 ⊢ G : 1 … P − 1 2 ⟶ 1-1 onto O ⁡ T -1 0 Y ∧ L ⁡ A ∈ O ⁡ T -1 0 Y → G ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A = L ⁡ A
111 96 100 110 syl2anc ⊢ φ → G ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A = L ⁡ A
112 109 111 eqtr3d ⊢ φ → L ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 = L ⁡ A
113 prmnn ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℕ
114 24 113 syl ⊢ φ → P ∈ ℕ
115 114 nnnn0d ⊢ φ → P ∈ ℕ 0
116 zsqcl ⊢ G -1 ⁡ L ⁡ A ∈ ℤ → G -1 ⁡ L ⁡ A 2 ∈ ℤ
117 102 116 syl ⊢ φ → G -1 ⁡ L ⁡ A 2 ∈ ℤ
118 1 11 zndvds ⊢ P ∈ ℕ 0 ∧ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 ∈ ℤ ∧ A ∈ ℤ → L ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 = L ⁡ A ↔ P ∥ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 − A
119 115 117 14 118 syl3anc ⊢ φ → L ⁡ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 = L ⁡ A ↔ P ∥ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 − A
120 112 119 mpbid ⊢ φ → P ∥ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 − A
121 oveq1 ⊢ x = G -1 ⁡ L ⁡ A → x 2 = G -1 ⁡ L ⁡ A 2
122 121 oveq1d ⊢ x = G -1 ⁡ L ⁡ A → x 2 − A = G -1 ⁡ L ⁡ A 2 − A
123 122 breq2d ⊢ x = G -1 ⁡ L ⁡ A → P ∥ x 2 − A ↔ P ∥ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 − A
124 123 rspcev ⊢ G -1 ⁡ L ⁡ A ∈ ℤ ∧ P ∥ G -1 ⁡ L ⁡ A 2 − A → ∃ x ∈ ℤ P ∥ x 2 − A
125 102 120 124 syl2anc ⊢ φ → ∃ x ∈ ℤ P ∥ x 2 − A