Metamath Proof Explorer


Theorem pellexlem3

Description: Lemma for pellex . To each good rational approximation of ( sqrtD ) , there exists a near-solution. (Contributed by Stefan O'Rear, 14-Sep-2014)

Ref Expression
Assertion pellexlem3 ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ → x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ≼ y z | y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nnex ⊢ ℕ ∈ V
2 1 1 xpex ⊢ ℕ × ℕ ∈ V
3 opabssxp ⊢ y z | y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ⊆ ℕ × ℕ
4 2 3 ssexi ⊢ y z | y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ∈ V
5 simprl ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → a ∈ ℚ
6 simprrl ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → 0 < a
7 qgt0numnn ⊢ a ∈ ℚ ∧ 0 < a → numer ⁡ a ∈ ℕ
8 5 6 7 syl2anc ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → numer ⁡ a ∈ ℕ
9 qdencl ⊢ a ∈ ℚ → denom ⁡ a ∈ ℕ
10 5 9 syl ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → denom ⁡ a ∈ ℕ
11 8 10 jca ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ denom ⁡ a ∈ ℕ
12 simpll ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → D ∈ ℕ
13 simplr ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → ¬ D ∈ ℚ
14 pellexlem1 ⊢ D ∈ ℕ ∧ numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ denom ⁡ a ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ → numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 ≠ 0
15 12 8 10 13 14 syl31anc ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 ≠ 0
16 simprrr ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → a − D < denom ⁡ a − 2
17 qeqnumdivden ⊢ a ∈ ℚ → a = numer ⁡ a denom ⁡ a
18 17 oveq1d ⊢ a ∈ ℚ → a − D = numer ⁡ a denom ⁡ a − D
19 18 fveq2d ⊢ a ∈ ℚ → a − D = numer ⁡ a denom ⁡ a − D
20 19 breq1d ⊢ a ∈ ℚ → a − D < denom ⁡ a − 2 ↔ numer ⁡ a denom ⁡ a − D < denom ⁡ a − 2
21 5 20 syl ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → a − D < denom ⁡ a − 2 ↔ numer ⁡ a denom ⁡ a − D < denom ⁡ a − 2
22 16 21 mpbid ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → numer ⁡ a denom ⁡ a − D < denom ⁡ a − 2
23 pellexlem2 ⊢ D ∈ ℕ ∧ numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ denom ⁡ a ∈ ℕ ∧ numer ⁡ a denom ⁡ a − D < denom ⁡ a − 2 → numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 < 1 + 2 ⁢ D
24 12 8 10 22 23 syl31anc ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 < 1 + 2 ⁢ D
25 11 15 24 jca32 ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ denom ⁡ a ∈ ℕ ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 ≠ 0 ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 < 1 + 2 ⁢ D
26 25 ex ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ → a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2 → numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ denom ⁡ a ∈ ℕ ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 ≠ 0 ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 < 1 + 2 ⁢ D
27 breq2 ⊢ x = a → 0 < x ↔ 0 < a
28 fvoveq1 ⊢ x = a → x − D = a − D
29 fveq2 ⊢ x = a → denom ⁡ x = denom ⁡ a
30 29 oveq1d ⊢ x = a → denom ⁡ x − 2 = denom ⁡ a − 2
31 28 30 breq12d ⊢ x = a → x − D < denom ⁡ x − 2 ↔ a − D < denom ⁡ a − 2
32 27 31 anbi12d ⊢ x = a → 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ↔ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2
33 32 elrab ⊢ a ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ↔ a ∈ ℚ ∧ 0 < a ∧ a − D < denom ⁡ a − 2
34 fvex ⊢ numer ⁡ a ∈ V
35 fvex ⊢ denom ⁡ a ∈ V
36 eleq1 ⊢ y = numer ⁡ a → y ∈ ℕ ↔ numer ⁡ a ∈ ℕ
37 36 anbi1d ⊢ y = numer ⁡ a → y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ↔ numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ
38 oveq1 ⊢ y = numer ⁡ a → y 2 = numer ⁡ a 2
39 38 oveq1d ⊢ y = numer ⁡ a → y 2 − D ⁢ z 2 = numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2
40 39 neeq1d ⊢ y = numer ⁡ a → y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ↔ numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0
41 39 fveq2d ⊢ y = numer ⁡ a → y 2 − D ⁢ z 2 = numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2
42 41 breq1d ⊢ y = numer ⁡ a → y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ↔ numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D
43 40 42 anbi12d ⊢ y = numer ⁡ a → y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ↔ numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D
44 37 43 anbi12d ⊢ y = numer ⁡ a → y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ↔ numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D
45 eleq1 ⊢ z = denom ⁡ a → z ∈ ℕ ↔ denom ⁡ a ∈ ℕ
46 45 anbi2d ⊢ z = denom ⁡ a → numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ↔ numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ denom ⁡ a ∈ ℕ
47 oveq1 ⊢ z = denom ⁡ a → z 2 = denom ⁡ a 2
48 47 oveq2d ⊢ z = denom ⁡ a → D ⁢ z 2 = D ⁢ denom ⁡ a 2
49 48 oveq2d ⊢ z = denom ⁡ a → numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 = numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2
50 49 neeq1d ⊢ z = denom ⁡ a → numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ↔ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 ≠ 0
51 49 fveq2d ⊢ z = denom ⁡ a → numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 = numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2
52 51 breq1d ⊢ z = denom ⁡ a → numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ↔ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 < 1 + 2 ⁢ D
53 50 52 anbi12d ⊢ z = denom ⁡ a → numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ↔ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 ≠ 0 ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 < 1 + 2 ⁢ D
54 46 53 anbi12d ⊢ z = denom ⁡ a → numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ↔ numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ denom ⁡ a ∈ ℕ ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 ≠ 0 ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 < 1 + 2 ⁢ D
55 34 35 44 54 opelopab ⊢ numer ⁡ a denom ⁡ a ∈ y z | y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ↔ numer ⁡ a ∈ ℕ ∧ denom ⁡ a ∈ ℕ ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 ≠ 0 ∧ numer ⁡ a 2 − D ⁢ denom ⁡ a 2 < 1 + 2 ⁢ D
56 26 33 55 3imtr4g ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ → a ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 → numer ⁡ a denom ⁡ a ∈ y z | y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D
57 ssrab2 ⊢ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ⊆ ℚ
58 simprl ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ∧ b ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 → a ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2
59 57 58 sselid ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ∧ b ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 → a ∈ ℚ
60 simprr ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ∧ b ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 → b ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2
61 57 60 sselid ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ∧ b ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 → b ∈ ℚ
62 34 35 opth ⊢ numer ⁡ a denom ⁡ a = numer ⁡ b denom ⁡ b ↔ numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b
63 simprl ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ ∧ numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b → numer ⁡ a = numer ⁡ b
64 simprr ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ ∧ numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b → denom ⁡ a = denom ⁡ b
65 63 64 oveq12d ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ ∧ numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b → numer ⁡ a denom ⁡ a = numer ⁡ b denom ⁡ b
66 simpll ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ ∧ numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b → a ∈ ℚ
67 66 17 syl ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ ∧ numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b → a = numer ⁡ a denom ⁡ a
68 simplr ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ ∧ numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b → b ∈ ℚ
69 qeqnumdivden ⊢ b ∈ ℚ → b = numer ⁡ b denom ⁡ b
70 68 69 syl ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ ∧ numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b → b = numer ⁡ b denom ⁡ b
71 65 67 70 3eqtr4d ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ ∧ numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b → a = b
72 71 ex ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ → numer ⁡ a = numer ⁡ b ∧ denom ⁡ a = denom ⁡ b → a = b
73 62 72 biimtrid ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ → numer ⁡ a denom ⁡ a = numer ⁡ b denom ⁡ b → a = b
74 fveq2 ⊢ a = b → numer ⁡ a = numer ⁡ b
75 fveq2 ⊢ a = b → denom ⁡ a = denom ⁡ b
76 74 75 opeq12d ⊢ a = b → numer ⁡ a denom ⁡ a = numer ⁡ b denom ⁡ b
77 73 76 impbid1 ⊢ a ∈ ℚ ∧ b ∈ ℚ → numer ⁡ a denom ⁡ a = numer ⁡ b denom ⁡ b ↔ a = b
78 59 61 77 syl2anc ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ ∧ a ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ∧ b ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 → numer ⁡ a denom ⁡ a = numer ⁡ b denom ⁡ b ↔ a = b
79 78 ex ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ → a ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ∧ b ∈ x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 → numer ⁡ a denom ⁡ a = numer ⁡ b denom ⁡ b ↔ a = b
80 56 79 dom2d ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ → y z | y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D ∈ V → x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ≼ y z | y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D
81 4 80 mpi ⊢ D ∈ ℕ ∧ ¬ D ∈ ℚ → x ∈ ℚ | 0 < x ∧ x − D < denom ⁡ x − 2 ≼ y z | y ∈ ℕ ∧ z ∈ ℕ ∧ y 2 − D ⁢ z 2 ≠ 0 ∧ y 2 − D ⁢ z 2 < 1 + 2 ⁢ D