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Theorem prmreclem3

Description: Lemma for prmrec . The main inequality established here is # M <_ # { x e. M | ( Qx ) = 1 } x. sqrt N , where { x e. M | ( Qx ) = 1 } is the set of squarefree numbers in M . This is demonstrated by the map y |-> <. y / ( Qy ) ^ 2 , ( Qy ) >. where Qy is the largest number whose square divides y . (Contributed by Mario Carneiro, 5-Aug-2014)

Ref Expression
Hypotheses prmrec.1 F = n if n 1 n 0
prmrec.2 φ K
prmrec.3 φ N
prmrec.4 M = n 1 N | p 1 K ¬ p n
prmreclem2.5 Q = n sup r | r 2 n <
Assertion prmreclem3 φ M 2 K N

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 prmrec.1 F = n if n 1 n 0
2 prmrec.2 φ K
3 prmrec.3 φ N
4 prmrec.4 M = n 1 N | p 1 K ¬ p n
5 prmreclem2.5 Q = n sup r | r 2 n <
6 fzfi 1 N Fin
7 4 ssrab3 M 1 N
8 ssfi 1 N Fin M 1 N M Fin
9 6 7 8 mp2an M Fin
10 hashcl M Fin M 0
11 9 10 ax-mp M 0
12 11 nn0rei M
13 12 a1i φ M
14 2nn 2
15 2 nnnn0d φ K 0
16 nnexpcl 2 K 0 2 K
17 14 15 16 sylancr φ 2 K
18 17 nnnn0d φ 2 K 0
19 3 nnrpd φ N +
20 19 rpsqrtcld φ N +
21 20 rprege0d φ N 0 N
22 flge0nn0 N 0 N N 0
23 21 22 syl φ N 0
24 18 23 nn0mulcld φ 2 K N 0
25 24 nn0red φ 2 K N
26 17 nnred φ 2 K
27 20 rpred φ N
28 26 27 remulcld φ 2 K N
29 ssrab2 x M | Q x = 1 M
30 ssfi M Fin x M | Q x = 1 M x M | Q x = 1 Fin
31 9 29 30 mp2an x M | Q x = 1 Fin
32 hashcl x M | Q x = 1 Fin x M | Q x = 1 0
33 31 32 ax-mp x M | Q x = 1 0
34 33 nn0rei x M | Q x = 1
35 23 nn0red φ N
36 remulcl x M | Q x = 1 N x M | Q x = 1 N
37 34 35 36 sylancr φ x M | Q x = 1 N
38 fzfi 1 N Fin
39 xpfi x M | Q x = 1 Fin 1 N Fin x M | Q x = 1 × 1 N Fin
40 31 38 39 mp2an x M | Q x = 1 × 1 N Fin
41 fveqeq2 x = y Q y 2 Q x = 1 Q y Q y 2 = 1
42 simpr φ y M y M
43 7 42 sselid φ y M y 1 N
44 elfznn y 1 N y
45 43 44 syl φ y M y
46 5 prmreclem1 y Q y Q y 2 y n 2 ¬ n 2 y Q y 2
47 46 simp2d y Q y 2 y
48 45 47 syl φ y M Q y 2 y
49 46 simp1d y Q y
50 45 49 syl φ y M Q y
51 50 nnsqcld φ y M Q y 2
52 51 nnzd φ y M Q y 2
53 51 nnne0d φ y M Q y 2 0
54 45 nnzd φ y M y
55 dvdsval2 Q y 2 Q y 2 0 y Q y 2 y y Q y 2
56 52 53 54 55 syl3anc φ y M Q y 2 y y Q y 2
57 48 56 mpbid φ y M y Q y 2
58 nnre y y
59 nngt0 y 0 < y
60 58 59 jca y y 0 < y
61 nnre Q y 2 Q y 2
62 nngt0 Q y 2 0 < Q y 2
63 61 62 jca Q y 2 Q y 2 0 < Q y 2
64 divgt0 y 0 < y Q y 2 0 < Q y 2 0 < y Q y 2
65 60 63 64 syl2an y Q y 2 0 < y Q y 2
66 45 51 65 syl2anc φ y M 0 < y Q y 2
67 elnnz y Q y 2 y Q y 2 0 < y Q y 2
68 57 66 67 sylanbrc φ y M y Q y 2
69 68 nnred φ y M y Q y 2
70 45 nnred φ y M y
71 3 nnred φ N
72 71 adantr φ y M N
73 dvdsmul1 y Q y 2 Q y 2 y Q y 2 y Q y 2 Q y 2
74 57 52 73 syl2anc φ y M y Q y 2 y Q y 2 Q y 2
75 45 nncnd φ y M y
76 51 nncnd φ y M Q y 2
77 75 76 53 divcan1d φ y M y Q y 2 Q y 2 = y
78 74 77 breqtrd φ y M y Q y 2 y
79 dvdsle y Q y 2 y y Q y 2 y y Q y 2 y
80 57 45 79 syl2anc φ y M y Q y 2 y y Q y 2 y
81 78 80 mpd φ y M y Q y 2 y
82 elfzle2 y 1 N y N
83 43 82 syl φ y M y N
84 69 70 72 81 83 letrd φ y M y Q y 2 N
85 nnuz = 1
86 68 85 eleqtrdi φ y M y Q y 2 1
87 3 nnzd φ N
88 87 adantr φ y M N
89 elfz5 y Q y 2 1 N y Q y 2 1 N y Q y 2 N
90 86 88 89 syl2anc φ y M y Q y 2 1 N y Q y 2 N
91 84 90 mpbird φ y M y Q y 2 1 N
92 breq2 n = y p n p y
93 92 notbid n = y ¬ p n ¬ p y
94 93 ralbidv n = y p 1 K ¬ p n p 1 K ¬ p y
95 94 4 elrab2 y M y 1 N p 1 K ¬ p y
96 42 95 sylib φ y M y 1 N p 1 K ¬ p y
97 96 simprd φ y M p 1 K ¬ p y
98 78 adantr φ y M p 1 K y Q y 2 y
99 eldifi p 1 K p
100 prmz p p
101 99 100 syl p 1 K p
102 101 adantl φ y M p 1 K p
103 57 adantr φ y M p 1 K y Q y 2
104 54 adantr φ y M p 1 K y
105 dvdstr p y Q y 2 y p y Q y 2 y Q y 2 y p y
106 102 103 104 105 syl3anc φ y M p 1 K p y Q y 2 y Q y 2 y p y
107 98 106 mpan2d φ y M p 1 K p y Q y 2 p y
108 107 con3d φ y M p 1 K ¬ p y ¬ p y Q y 2
109 108 ralimdva φ y M p 1 K ¬ p y p 1 K ¬ p y Q y 2
110 97 109 mpd φ y M p 1 K ¬ p y Q y 2
111 breq2 n = y Q y 2 p n p y Q y 2
112 111 notbid n = y Q y 2 ¬ p n ¬ p y Q y 2
113 112 ralbidv n = y Q y 2 p 1 K ¬ p n p 1 K ¬ p y Q y 2
114 113 4 elrab2 y Q y 2 M y Q y 2 1 N p 1 K ¬ p y Q y 2
115 91 110 114 sylanbrc φ y M y Q y 2 M
116 5 prmreclem1 y Q y 2 Q y Q y 2 Q y Q y 2 2 y Q y 2 A 2 ¬ A 2 y Q y 2 Q y Q y 2 2
117 116 simp2d y Q y 2 Q y Q y 2 2 y Q y 2
118 68 117 syl φ y M Q y Q y 2 2 y Q y 2
119 116 simp1d y Q y 2 Q y Q y 2
120 68 119 syl φ y M Q y Q y 2
121 elnn1uz2 Q y Q y 2 Q y Q y 2 = 1 Q y Q y 2 2
122 120 121 sylib φ y M Q y Q y 2 = 1 Q y Q y 2 2
123 122 ord φ y M ¬ Q y Q y 2 = 1 Q y Q y 2 2
124 5 prmreclem1 y Q y Q y 2 y Q y Q y 2 2 ¬ Q y Q y 2 2 y Q y 2
125 124 simp3d y Q y Q y 2 2 ¬ Q y Q y 2 2 y Q y 2
126 45 123 125 sylsyld φ y M ¬ Q y Q y 2 = 1 ¬ Q y Q y 2 2 y Q y 2
127 118 126 mt4d φ y M Q y Q y 2 = 1
128 41 115 127 elrabd φ y M y Q y 2 x M | Q x = 1
129 51 nnred φ y M Q y 2
130 dvdsle Q y 2 y Q y 2 y Q y 2 y
131 52 45 130 syl2anc φ y M Q y 2 y Q y 2 y
132 48 131 mpd φ y M Q y 2 y
133 129 70 72 132 83 letrd φ y M Q y 2 N
134 72 recnd φ y M N
135 134 sqsqrtd φ y M N 2 = N
136 133 135 breqtrrd φ y M Q y 2 N 2
137 50 nnrpd φ y M Q y +
138 20 adantr φ y M N +
139 rprege0 Q y + Q y 0 Q y
140 rprege0 N + N 0 N
141 le2sq Q y 0 Q y N 0 N Q y N Q y 2 N 2
142 139 140 141 syl2an Q y + N + Q y N Q y 2 N 2
143 137 138 142 syl2anc φ y M Q y N Q y 2 N 2
144 136 143 mpbird φ y M Q y N
145 27 adantr φ y M N
146 50 nnzd φ y M Q y
147 flge N Q y Q y N Q y N
148 145 146 147 syl2anc φ y M Q y N Q y N
149 144 148 mpbid φ y M Q y N
150 50 85 eleqtrdi φ y M Q y 1
151 23 nn0zd φ N
152 151 adantr φ y M N
153 elfz5 Q y 1 N Q y 1 N Q y N
154 150 152 153 syl2anc φ y M Q y 1 N Q y N
155 149 154 mpbird φ y M Q y 1 N
156 128 155 opelxpd φ y M y Q y 2 Q y x M | Q x = 1 × 1 N
157 156 ex φ y M y Q y 2 Q y x M | Q x = 1 × 1 N
158 ovex y Q y 2 V
159 fvex Q y V
160 158 159 opth y Q y 2 Q y = z Q z 2 Q z y Q y 2 = z Q z 2 Q y = Q z
161 oveq1 Q y = Q z Q y 2 = Q z 2
162 oveq12 y Q y 2 = z Q z 2 Q y 2 = Q z 2 y Q y 2 Q y 2 = z Q z 2 Q z 2
163 161 162 sylan2 y Q y 2 = z Q z 2 Q y = Q z y Q y 2 Q y 2 = z Q z 2 Q z 2
164 160 163 sylbi y Q y 2 Q y = z Q z 2 Q z y Q y 2 Q y 2 = z Q z 2 Q z 2
165 77 adantrr φ y M z M y Q y 2 Q y 2 = y
166 fz1ssnn 1 N
167 7 166 sstri M
168 simprr φ y M z M z M
169 167 168 sselid φ y M z M z
170 169 nncnd φ y M z M z
171 5 prmreclem1 z Q z Q z 2 z 2 2 ¬ 2 2 z Q z 2
172 171 simp1d z Q z
173 169 172 syl φ y M z M Q z
174 173 nnsqcld φ y M z M Q z 2
175 174 nncnd φ y M z M Q z 2
176 174 nnne0d φ y M z M Q z 2 0
177 170 175 176 divcan1d φ y M z M z Q z 2 Q z 2 = z
178 165 177 eqeq12d φ y M z M y Q y 2 Q y 2 = z Q z 2 Q z 2 y = z
179 164 178 syl5ib φ y M z M y Q y 2 Q y = z Q z 2 Q z y = z
180 id y = z y = z
181 fveq2 y = z Q y = Q z
182 181 oveq1d y = z Q y 2 = Q z 2
183 180 182 oveq12d y = z y Q y 2 = z Q z 2
184 183 181 opeq12d y = z y Q y 2 Q y = z Q z 2 Q z
185 179 184 impbid1 φ y M z M y Q y 2 Q y = z Q z 2 Q z y = z
186 185 ex φ y M z M y Q y 2 Q y = z Q z 2 Q z y = z
187 157 186 dom2d φ x M | Q x = 1 × 1 N Fin M x M | Q x = 1 × 1 N
188 40 187 mpi φ M x M | Q x = 1 × 1 N
189 hashdom M Fin x M | Q x = 1 × 1 N Fin M x M | Q x = 1 × 1 N M x M | Q x = 1 × 1 N
190 9 40 189 mp2an M x M | Q x = 1 × 1 N M x M | Q x = 1 × 1 N
191 188 190 sylibr φ M x M | Q x = 1 × 1 N
192 hashxp x M | Q x = 1 Fin 1 N Fin x M | Q x = 1 × 1 N = x M | Q x = 1 1 N
193 31 38 192 mp2an x M | Q x = 1 × 1 N = x M | Q x = 1 1 N
194 hashfz1 N 0 1 N = N
195 23 194 syl φ 1 N = N
196 195 oveq2d φ x M | Q x = 1 1 N = x M | Q x = 1 N
197 193 196 eqtrid φ x M | Q x = 1 × 1 N = x M | Q x = 1 N
198 191 197 breqtrd φ M x M | Q x = 1 N
199 34 a1i φ x M | Q x = 1
200 23 nn0ge0d φ 0 N
201 1 2 3 4 5 prmreclem2 φ x M | Q x = 1 2 K
202 199 26 35 200 201 lemul1ad φ x M | Q x = 1 N 2 K N
203 13 37 25 198 202 letrd φ M 2 K N
204 17 nnrpd φ 2 K +
205 204 rprege0d φ 2 K 0 2 K
206 fllelt N N N N < N + 1
207 27 206 syl φ N N N < N + 1
208 207 simpld φ N N
209 lemul2a N N 2 K 0 2 K N N 2 K N 2 K N
210 35 27 205 208 209 syl31anc φ 2 K N 2 K N
211 13 25 28 203 210 letrd φ M 2 K N