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Theorem numclwwlk5

Description: Statement 13 in Huneke p. 2: "Let p be a prime divisor of k-1; then f(p) = 1 (mod p) [for each vertex v]". (Contributed by Alexander van der Vekens, 7-Oct-2018) (Revised by AV, 2-Jun-2021) (Revised by AV, 7-Mar-2022)

Ref Expression
Hypothesis numclwwlk3.v ⊢ V = Vtx ⁡ G
Assertion numclwwlk5 ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P mod P = 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 numclwwlk3.v ⊢ V = Vtx ⁡ G
2 simpl1 ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1 → G RegUSGraph K
3 simpr1 ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1 → X ∈ V
4 1 finrusgrfusgr ⊢ G RegUSGraph K ∧ V ∈ Fin → G ∈ FinUSGraph
5 4 3adant2 ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin → G ∈ FinUSGraph
6 5 adantl ⊢ X ∈ V ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin → G ∈ FinUSGraph
7 simpr1 ⊢ X ∈ V ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin → G RegUSGraph K
8 ne0i ⊢ X ∈ V → V ≠ ∅
9 8 adantr ⊢ X ∈ V ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin → V ≠ ∅
10 1 frusgrnn0 ⊢ G ∈ FinUSGraph ∧ G RegUSGraph K ∧ V ≠ ∅ → K ∈ ℕ 0
11 6 7 9 10 syl3anc ⊢ X ∈ V ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin → K ∈ ℕ 0
12 11 ex ⊢ X ∈ V → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin → K ∈ ℕ 0
13 12 3ad2ant1 ⊢ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1 → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin → K ∈ ℕ 0
14 13 impcom ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1 → K ∈ ℕ 0
15 2 3 14 3jca ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1 → G RegUSGraph K ∧ X ∈ V ∧ K ∈ ℕ 0
16 simpr3 ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1 → 2 ∥ K − 1
17 1 numclwwlk5lem ⊢ G RegUSGraph K ∧ X ∈ V ∧ K ∈ ℕ 0 → 2 ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G 2 mod 2 = 1
18 15 16 17 sylc ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G 2 mod 2 = 1
19 18 a1i ⊢ P = 2 → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G 2 mod 2 = 1
20 eleq1 ⊢ P = 2 → P ∈ ℙ ↔ 2 ∈ ℙ
21 breq1 ⊢ P = 2 → P ∥ K − 1 ↔ 2 ∥ K − 1
22 20 21 3anbi23d ⊢ P = 2 → X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 ↔ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1
23 22 anbi2d ⊢ P = 2 → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 ↔ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ 2 ∈ ℙ ∧ 2 ∥ K − 1
24 oveq2 ⊢ P = 2 → X ClWWalksNOn ⁡ G P = X ClWWalksNOn ⁡ G 2
25 24 fveq2d ⊢ P = 2 → X ClWWalksNOn ⁡ G P = X ClWWalksNOn ⁡ G 2
26 id ⊢ P = 2 → P = 2
27 25 26 oveq12d ⊢ P = 2 → X ClWWalksNOn ⁡ G P mod P = X ClWWalksNOn ⁡ G 2 mod 2
28 27 eqeq1d ⊢ P = 2 → X ClWWalksNOn ⁡ G P mod P = 1 ↔ X ClWWalksNOn ⁡ G 2 mod 2 = 1
29 19 23 28 3imtr4d ⊢ P = 2 → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P mod P = 1
30 3simpa ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph
31 30 adantr ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph
32 31 adantl ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph
33 simprl3 ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → V ∈ Fin
34 simprr1 ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ∈ V
35 eldifsn ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 ↔ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2
36 oddprmge3 ⊢ P ∈ ℙ ∖ 2 → P ∈ ℤ ≥ 3
37 35 36 sylbir ⊢ P ∈ ℙ ∧ P ≠ 2 → P ∈ ℤ ≥ 3
38 37 ex ⊢ P ∈ ℙ → P ≠ 2 → P ∈ ℤ ≥ 3
39 38 3ad2ant2 ⊢ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ≠ 2 → P ∈ ℤ ≥ 3
40 39 adantl ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ≠ 2 → P ∈ ℤ ≥ 3
41 40 impcom ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ∈ ℤ ≥ 3
42 1 numclwwlk3 ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℤ ≥ 3 → X ClWWalksNOn ⁡ G P = K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 + K P − 2
43 32 33 34 41 42 syl13anc ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P = K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 + K P − 2
44 43 oveq1d ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P mod P = K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 + K P − 2 mod P
45 12 3ad2ant1 ⊢ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin → K ∈ ℕ 0
46 45 impcom ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K ∈ ℕ 0
47 46 nn0zd ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K ∈ ℤ
48 peano2zm ⊢ K ∈ ℤ → K − 1 ∈ ℤ
49 zre ⊢ K − 1 ∈ ℤ → K − 1 ∈ ℝ
50 47 48 49 3syl ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ∈ ℝ
51 simpl3 ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → V ∈ Fin
52 1 clwwlknonfin ⊢ V ∈ Fin → X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ Fin
53 hashcl ⊢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ Fin → X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℕ 0
54 51 52 53 3syl ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℕ 0
55 54 nn0red ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℝ
56 50 55 remulcld ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℝ
57 46 nn0red ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K ∈ ℝ
58 prmm2nn0 ⊢ P ∈ ℙ → P − 2 ∈ ℕ 0
59 58 3ad2ant2 ⊢ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P − 2 ∈ ℕ 0
60 59 adantl ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P − 2 ∈ ℕ 0
61 57 60 reexpcld ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K P − 2 ∈ ℝ
62 prmnn ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℕ
63 62 nnrpd ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℝ +
64 63 3ad2ant2 ⊢ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ∈ ℝ +
65 64 adantl ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ∈ ℝ +
66 56 61 65 3jca ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℝ ∧ K P − 2 ∈ ℝ ∧ P ∈ ℝ +
67 66 adantl ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℝ ∧ K P − 2 ∈ ℝ ∧ P ∈ ℝ +
68 modaddabs ⊢ K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℝ ∧ K P − 2 ∈ ℝ ∧ P ∈ ℝ + → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 mod P + K P − 2 mod P mod P = K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 + K P − 2 mod P
69 68 eqcomd ⊢ K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℝ ∧ K P − 2 ∈ ℝ ∧ P ∈ ℝ + → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 + K P − 2 mod P = K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 mod P + K P − 2 mod P mod P
70 67 69 syl ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 + K P − 2 mod P = K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 mod P + K P − 2 mod P mod P
71 62 3ad2ant2 ⊢ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ∈ ℕ
72 71 adantl ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ∈ ℕ
73 nn0z ⊢ K ∈ ℕ 0 → K ∈ ℤ
74 46 73 48 3syl ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ∈ ℤ
75 54 nn0zd ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℤ
76 72 74 75 3jca ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ∈ ℕ ∧ K − 1 ∈ ℤ ∧ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℤ
77 simpr3 ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ∥ K − 1
78 mulmoddvds ⊢ P ∈ ℕ ∧ K − 1 ∈ ℤ ∧ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 ∈ ℤ → P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 mod P = 0
79 76 77 78 sylc ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 mod P = 0
80 simpr2 ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ∈ ℙ
81 80 47 jca ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → P ∈ ℙ ∧ K ∈ ℤ
82 powm2modprm ⊢ P ∈ ℙ ∧ K ∈ ℤ → P ∥ K − 1 → K P − 2 mod P = 1
83 81 77 82 sylc ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K P − 2 mod P = 1
84 79 83 oveq12d ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 mod P + K P − 2 mod P = 0 + 1
85 84 oveq1d ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 mod P + K P − 2 mod P mod P = 0 + 1 mod P
86 0p1e1 ⊢ 0 + 1 = 1
87 86 oveq1i ⊢ 0 + 1 mod P = 1 mod P
88 62 nnred ⊢ P ∈ ℙ → P ∈ ℝ
89 prmgt1 ⊢ P ∈ ℙ → 1 < P
90 1mod ⊢ P ∈ ℝ ∧ 1 < P → 1 mod P = 1
91 88 89 90 syl2anc ⊢ P ∈ ℙ → 1 mod P = 1
92 87 91 eqtrid ⊢ P ∈ ℙ → 0 + 1 mod P = 1
93 92 3ad2ant2 ⊢ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → 0 + 1 mod P = 1
94 93 adantl ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → 0 + 1 mod P = 1
95 85 94 eqtrd ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 mod P + K P − 2 mod P mod P = 1
96 95 adantl ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → K − 1 ⁢ X ClWWalksNOn ⁡ G P − 2 mod P + K P − 2 mod P mod P = 1
97 44 70 96 3eqtrd ⊢ P ≠ 2 ∧ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P mod P = 1
98 97 ex ⊢ P ≠ 2 → G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P mod P = 1
99 29 98 pm2.61ine ⊢ G RegUSGraph K ∧ G ∈ FriendGraph ∧ V ∈ Fin ∧ X ∈ V ∧ P ∈ ℙ ∧ P ∥ K − 1 → X ClWWalksNOn ⁡ G P mod P = 1