Metamath Proof Explorer


Theorem m1lgs

Description: The first supplement to the law of quadratic reciprocity. Negative one is a square mod an odd prime P iff P == 1 (mod 4 ). See first case of theorem 9.4 in ApostolNT p. 181. (Contributed by Mario Carneiro, 19-Jun-2015)

Ref Expression
Assertion m1lgs ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → -1 / L P = 1 ↔ P mod 4 = 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 neg1z ⊢ − 1 ∈ ℤ
2 oddprm ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 2 ∈ ℕ
3 2 nnnn0d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 2 ∈ ℕ 0
4 zexpcl ⊢ − 1 ∈ ℤ ∧ P − 1 2 ∈ ℕ 0 → − 1 P − 1 2 ∈ ℤ
5 1 3 4 sylancr ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → − 1 P − 1 2 ∈ ℤ
6 5 peano2zd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → − 1 P − 1 2 + 1 ∈ ℤ
7 eldifi ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ∈ ℙ
8 prmnn ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℕ
9 7 8 syl ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ∈ ℕ
10 6 9 zmodcld ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → − 1 P − 1 2 + 1 mod P ∈ ℕ 0
11 10 nn0cnd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → − 1 P − 1 2 + 1 mod P ∈ ℂ
12 1cnd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 1 ∈ ℂ
13 11 12 12 subaddd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → − 1 P − 1 2 + 1 mod P − 1 = 1 ↔ 1 + 1 = − 1 P − 1 2 + 1 mod P
14 2re ⊢ 2 ∈ ℝ
15 14 a1i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 ∈ ℝ
16 9 nnrpd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ∈ ℝ +
17 0le2 ⊢ 0 ≤ 2
18 17 a1i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 0 ≤ 2
19 oddprmgt2 ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 < P
20 modid ⊢ 2 ∈ ℝ ∧ P ∈ ℝ + ∧ 0 ≤ 2 ∧ 2 < P → 2 mod P = 2
21 15 16 18 19 20 syl22anc ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 mod P = 2
22 df-2 ⊢ 2 = 1 + 1
23 21 22 eqtrdi ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 mod P = 1 + 1
24 23 eqeq1d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 mod P = − 1 P − 1 2 + 1 mod P ↔ 1 + 1 = − 1 P − 1 2 + 1 mod P
25 eldifsni ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ≠ 2
26 25 neneqd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → ¬ P = 2
27 prmuz2 ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℤ ≥ 2
28 7 27 syl ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ∈ ℤ ≥ 2
29 2prm ⊢ 2 ∈ ℙ
30 dvdsprm ⊢ P ∈ ℤ ≥ 2 ∧ 2 ∈ ℙ → P ∥ 2 ↔ P = 2
31 28 29 30 sylancl ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ∥ 2 ↔ P = 2
32 26 31 mtbird ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → ¬ P ∥ 2
33 32 adantr ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → ¬ P ∥ 2
34 1cnd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → 1 ∈ ℂ
35 2 adantr ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → P − 1 2 ∈ ℕ
36 simpr ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → ¬ 2 ∥ P − 1 2
37 oexpneg ⊢ 1 ∈ ℂ ∧ P − 1 2 ∈ ℕ ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → − 1 P − 1 2 = − 1 P − 1 2
38 34 35 36 37 syl3anc ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → − 1 P − 1 2 = − 1 P − 1 2
39 35 nnzd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → P − 1 2 ∈ ℤ
40 1exp ⊢ P − 1 2 ∈ ℤ → 1 P − 1 2 = 1
41 39 40 syl ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → 1 P − 1 2 = 1
42 41 negeqd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → − 1 P − 1 2 = − 1
43 38 42 eqtrd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → − 1 P − 1 2 = − 1
44 43 oveq1d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → − 1 P − 1 2 + 1 = - 1 + 1
45 ax-1cn ⊢ 1 ∈ ℂ
46 neg1cn ⊢ − 1 ∈ ℂ
47 1pneg1e0 ⊢ 1 + -1 = 0
48 45 46 47 addcomli ⊢ - 1 + 1 = 0
49 44 48 eqtrdi ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → − 1 P − 1 2 + 1 = 0
50 49 oveq2d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → 2 − − 1 P − 1 2 + 1 = 2 − 0
51 2cn ⊢ 2 ∈ ℂ
52 51 subid1i ⊢ 2 − 0 = 2
53 50 52 eqtrdi ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → 2 − − 1 P − 1 2 + 1 = 2
54 53 breq2d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → P ∥ 2 − − 1 P − 1 2 + 1 ↔ P ∥ 2
55 33 54 mtbird ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ ¬ 2 ∥ P − 1 2 → ¬ P ∥ 2 − − 1 P − 1 2 + 1
56 55 ex ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → ¬ 2 ∥ P − 1 2 → ¬ P ∥ 2 − − 1 P − 1 2 + 1
57 56 con4d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ∥ 2 − − 1 P − 1 2 + 1 → 2 ∥ P − 1 2
58 2z ⊢ 2 ∈ ℤ
59 58 a1i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 ∈ ℤ
60 moddvds ⊢ P ∈ ℕ ∧ 2 ∈ ℤ ∧ − 1 P − 1 2 + 1 ∈ ℤ → 2 mod P = − 1 P − 1 2 + 1 mod P ↔ P ∥ 2 − − 1 P − 1 2 + 1
61 9 59 6 60 syl3anc ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 mod P = − 1 P − 1 2 + 1 mod P ↔ P ∥ 2 − − 1 P − 1 2 + 1
62 4z ⊢ 4 ∈ ℤ
63 4ne0 ⊢ 4 ≠ 0
64 nnm1nn0 ⊢ P ∈ ℕ → P − 1 ∈ ℕ 0
65 9 64 syl ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 ∈ ℕ 0
66 65 nn0zd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 ∈ ℤ
67 dvdsval2 ⊢ 4 ∈ ℤ ∧ 4 ≠ 0 ∧ P − 1 ∈ ℤ → 4 ∥ P − 1 ↔ P − 1 4 ∈ ℤ
68 62 63 66 67 mp3an12i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 4 ∥ P − 1 ↔ P − 1 4 ∈ ℤ
69 65 nn0cnd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 ∈ ℂ
70 51 a1i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 ∈ ℂ
71 2ne0 ⊢ 2 ≠ 0
72 71 a1i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 ≠ 0
73 69 70 70 72 72 divdiv1d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 2 2 = P − 1 2 ⋅ 2
74 2t2e4 ⊢ 2 ⋅ 2 = 4
75 74 oveq2i ⊢ P − 1 2 ⋅ 2 = P − 1 4
76 73 75 eqtrdi ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 2 2 = P − 1 4
77 76 eleq1d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 2 2 ∈ ℤ ↔ P − 1 4 ∈ ℤ
78 68 77 bitr4d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 4 ∥ P − 1 ↔ P − 1 2 2 ∈ ℤ
79 2 nnzd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 2 ∈ ℤ
80 dvdsval2 ⊢ 2 ∈ ℤ ∧ 2 ≠ 0 ∧ P − 1 2 ∈ ℤ → 2 ∥ P − 1 2 ↔ P − 1 2 2 ∈ ℤ
81 58 71 79 80 mp3an12i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 ∥ P − 1 2 ↔ P − 1 2 2 ∈ ℤ
82 78 81 bitr4d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 4 ∥ P − 1 ↔ 2 ∥ P − 1 2
83 57 61 82 3imtr4d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 mod P = − 1 P − 1 2 + 1 mod P → 4 ∥ P − 1
84 46 a1i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → − 1 ∈ ℂ
85 neg1ne0 ⊢ − 1 ≠ 0
86 85 a1i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → − 1 ≠ 0
87 58 a1i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → 2 ∈ ℤ
88 78 biimpa ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → P − 1 2 2 ∈ ℤ
89 expmulz ⊢ − 1 ∈ ℂ ∧ − 1 ≠ 0 ∧ 2 ∈ ℤ ∧ P − 1 2 2 ∈ ℤ → − 1 2 ⁢ P − 1 2 2 = -1 2 P − 1 2 2
90 84 86 87 88 89 syl22anc ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → − 1 2 ⁢ P − 1 2 2 = -1 2 P − 1 2 2
91 2 nncnd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P − 1 2 ∈ ℂ
92 91 70 72 divcan2d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 ⁢ P − 1 2 2 = P − 1 2
93 92 adantr ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → 2 ⁢ P − 1 2 2 = P − 1 2
94 93 oveq2d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → − 1 2 ⁢ P − 1 2 2 = − 1 P − 1 2
95 neg1sqe1 ⊢ − 1 2 = 1
96 95 oveq1i ⊢ -1 2 P − 1 2 2 = 1 P − 1 2 2
97 1exp ⊢ P − 1 2 2 ∈ ℤ → 1 P − 1 2 2 = 1
98 88 97 syl ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → 1 P − 1 2 2 = 1
99 96 98 eqtrid ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → -1 2 P − 1 2 2 = 1
100 90 94 99 3eqtr3d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → − 1 P − 1 2 = 1
101 100 oveq1d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → − 1 P − 1 2 + 1 = 1 + 1
102 22 101 eqtr4id ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → 2 = − 1 P − 1 2 + 1
103 102 oveq1d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ∧ 4 ∥ P − 1 → 2 mod P = − 1 P − 1 2 + 1 mod P
104 103 ex ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 4 ∥ P − 1 → 2 mod P = − 1 P − 1 2 + 1 mod P
105 83 104 impbid ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 2 mod P = − 1 P − 1 2 + 1 mod P ↔ 4 ∥ P − 1
106 13 24 105 3bitr2d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → − 1 P − 1 2 + 1 mod P − 1 = 1 ↔ 4 ∥ P − 1
107 lgsval3 ⊢ − 1 ∈ ℤ ∧ P ∈ ℙ ∖ 2 → -1 / L P = − 1 P − 1 2 + 1 mod P − 1
108 1 107 mpan ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → -1 / L P = − 1 P − 1 2 + 1 mod P − 1
109 108 eqeq1d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → -1 / L P = 1 ↔ − 1 P − 1 2 + 1 mod P − 1 = 1
110 4nn ⊢ 4 ∈ ℕ
111 110 a1i ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 4 ∈ ℕ
112 prmz ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℤ
113 7 112 syl ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ∈ ℤ
114 1zzd ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → 1 ∈ ℤ
115 moddvds ⊢ 4 ∈ ℕ ∧ P ∈ ℤ ∧ 1 ∈ ℤ → P mod 4 = 1 mod 4 ↔ 4 ∥ P − 1
116 111 113 114 115 syl3anc ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P mod 4 = 1 mod 4 ↔ 4 ∥ P − 1
117 106 109 116 3bitr4d ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → -1 / L P = 1 ↔ P mod 4 = 1 mod 4
118 1re ⊢ 1 ∈ ℝ
119 nnrp ⊢ 4 ∈ ℕ → 4 ∈ ℝ +
120 110 119 ax-mp ⊢ 4 ∈ ℝ +
121 0le1 ⊢ 0 ≤ 1
122 1lt4 ⊢ 1 < 4
123 modid ⊢ 1 ∈ ℝ ∧ 4 ∈ ℝ + ∧ 0 ≤ 1 ∧ 1 < 4 → 1 mod 4 = 1
124 118 120 121 122 123 mp4an ⊢ 1 mod 4 = 1
125 124 eqeq2i ⊢ P mod 4 = 1 mod 4 ↔ P mod 4 = 1
126 117 125 bitrdi ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → -1 / L P = 1 ↔ P mod 4 = 1