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Theorem rmxycomplete

Description: The X and Y sequences taken together enumerate all solutions to the corresponding Pell equation in the right half-plane. This is Metamath 100 proof #39. (Contributed by Stefan O'Rear, 22-Sep-2014)

Ref Expression
Assertion rmxycomplete ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 ↔ ∃ n ∈ ℤ X = A X rm n ∧ Y = A Y rm n

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rmspecnonsq ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 → A 2 − 1 ∈ ℕ ∖ ◻ ℕ
2 1 3ad2ant1 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → A 2 − 1 ∈ ℕ ∖ ◻ ℕ
3 pellfund14b ⊢ A 2 − 1 ∈ ℕ ∖ ◻ ℕ → X + A 2 − 1 ⁢ Y ∈ Pell14QR ⁡ A 2 − 1 ↔ ∃ n ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = PellFund ⁡ A 2 − 1 n
4 2 3 syl ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X + A 2 − 1 ⁢ Y ∈ Pell14QR ⁡ A 2 − 1 ↔ ∃ n ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = PellFund ⁡ A 2 − 1 n
5 nn0re ⊢ X ∈ ℕ 0 → X ∈ ℝ
6 5 3ad2ant2 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X ∈ ℝ
7 rmspecpos ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 → A 2 − 1 ∈ ℝ +
8 7 rpsqrtcld ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 → A 2 − 1 ∈ ℝ +
9 8 rpred ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 → A 2 − 1 ∈ ℝ
10 9 3ad2ant1 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → A 2 − 1 ∈ ℝ
11 zre ⊢ Y ∈ ℤ → Y ∈ ℝ
12 11 3ad2ant3 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → Y ∈ ℝ
13 10 12 remulcld ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → A 2 − 1 ⁢ Y ∈ ℝ
14 6 13 readdcld ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X + A 2 − 1 ⁢ Y ∈ ℝ
15 14 biantrurd ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → ∃ x ∈ ℕ 0 ∃ y ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y ∈ ℝ ∧ ∃ x ∈ ℕ 0 ∃ y ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
16 simpl2 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 → X ∈ ℕ 0
17 simpl3 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 → Y ∈ ℤ
18 eqidd ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 → X + A 2 − 1 ⁢ Y = X + A 2 − 1 ⁢ Y
19 simpr ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1
20 oveq1 ⊢ x = X → x + A 2 − 1 ⁢ y = X + A 2 − 1 ⁢ y
21 20 eqeq2d ⊢ x = X → X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y = X + A 2 − 1 ⁢ y
22 oveq1 ⊢ x = X → x 2 = X 2
23 22 oveq1d ⊢ x = X → x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = X 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2
24 23 eqeq1d ⊢ x = X → x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 ↔ X 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
25 21 24 anbi12d ⊢ x = X → X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y = X + A 2 − 1 ⁢ y ∧ X 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
26 oveq2 ⊢ y = Y → A 2 − 1 ⁢ y = A 2 − 1 ⁢ Y
27 26 oveq2d ⊢ y = Y → X + A 2 − 1 ⁢ y = X + A 2 − 1 ⁢ Y
28 27 eqeq2d ⊢ y = Y → X + A 2 − 1 ⁢ Y = X + A 2 − 1 ⁢ y ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y = X + A 2 − 1 ⁢ Y
29 oveq1 ⊢ y = Y → y 2 = Y 2
30 29 oveq2d ⊢ y = Y → A 2 − 1 ⁢ y 2 = A 2 − 1 ⁢ Y 2
31 30 oveq2d ⊢ y = Y → X 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2
32 31 eqeq1d ⊢ y = Y → X 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 ↔ X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1
33 28 32 anbi12d ⊢ y = Y → X + A 2 − 1 ⁢ Y = X + A 2 − 1 ⁢ y ∧ X 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y = X + A 2 − 1 ⁢ Y ∧ X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1
34 25 33 rspc2ev ⊢ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ X + A 2 − 1 ⁢ Y = X + A 2 − 1 ⁢ Y ∧ X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 → ∃ x ∈ ℕ 0 ∃ y ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
35 16 17 18 19 34 syl112anc ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 → ∃ x ∈ ℕ 0 ∃ y ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
36 35 ex ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 → ∃ x ∈ ℕ 0 ∃ y ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
37 rmspecsqrtnq ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 → A 2 − 1 ∈ ℂ ∖ ℚ
38 37 3ad2ant1 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → A 2 − 1 ∈ ℂ ∖ ℚ
39 38 adantr ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ x ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ ℤ → A 2 − 1 ∈ ℂ ∖ ℚ
40 nn0ssq ⊢ ℕ 0 ⊆ ℚ
41 simp2 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X ∈ ℕ 0
42 40 41 sselid ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X ∈ ℚ
43 42 adantr ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ x ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ ℤ → X ∈ ℚ
44 zq ⊢ Y ∈ ℤ → Y ∈ ℚ
45 44 3ad2ant3 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → Y ∈ ℚ
46 45 adantr ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ x ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ ℤ → Y ∈ ℚ
47 40 sseli ⊢ x ∈ ℕ 0 → x ∈ ℚ
48 47 ad2antrl ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ x ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ ℤ → x ∈ ℚ
49 zq ⊢ y ∈ ℤ → y ∈ ℚ
50 49 ad2antll ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ x ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ ℤ → y ∈ ℚ
51 qirropth ⊢ A 2 − 1 ∈ ℂ ∖ ℚ ∧ X ∈ ℚ ∧ Y ∈ ℚ ∧ x ∈ ℚ ∧ y ∈ ℚ → X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ↔ X = x ∧ Y = y
52 39 43 46 48 50 51 syl122anc ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ x ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ ℤ → X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ↔ X = x ∧ Y = y
53 52 biimpd ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ x ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ ℤ → X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y → X = x ∧ Y = y
54 53 anim1d ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ x ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ ℤ → X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 → X = x ∧ Y = y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
55 oveq1 ⊢ X = x → X 2 = x 2
56 oveq1 ⊢ Y = y → Y 2 = y 2
57 56 oveq2d ⊢ Y = y → A 2 − 1 ⁢ Y 2 = A 2 − 1 ⁢ y 2
58 55 57 oveqan12d ⊢ X = x ∧ Y = y → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2
59 58 eqcomd ⊢ X = x ∧ Y = y → x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2
60 59 eqeq1d ⊢ X = x ∧ Y = y → x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 ↔ X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1
61 60 biimpa ⊢ X = x ∧ Y = y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1
62 54 61 syl6 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ x ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ ℤ → X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1
63 62 rexlimdvva ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → ∃ x ∈ ℕ 0 ∃ y ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1 → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1
64 36 63 impbid ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 ↔ ∃ x ∈ ℕ 0 ∃ y ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
65 elpell14qr ⊢ A 2 − 1 ∈ ℕ ∖ ◻ ℕ → X + A 2 − 1 ⁢ Y ∈ Pell14QR ⁡ A 2 − 1 ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y ∈ ℝ ∧ ∃ x ∈ ℕ 0 ∃ y ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
66 2 65 syl ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X + A 2 − 1 ⁢ Y ∈ Pell14QR ⁡ A 2 − 1 ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y ∈ ℝ ∧ ∃ x ∈ ℕ 0 ∃ y ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = x + A 2 − 1 ⁢ y ∧ x 2 − A 2 − 1 ⁢ y 2 = 1
67 15 64 66 3bitr4d ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y ∈ Pell14QR ⁡ A 2 − 1
68 38 adantr ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → A 2 − 1 ∈ ℂ ∖ ℚ
69 42 adantr ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → X ∈ ℚ
70 45 adantr ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → Y ∈ ℚ
71 frmx ⊢ X rm : ℤ ≥ 2 × ℤ ⟶ ℕ 0
72 71 a1i ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → X rm : ℤ ≥ 2 × ℤ ⟶ ℕ 0
73 simpl1 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → A ∈ ℤ ≥ 2
74 simpr ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → n ∈ ℤ
75 72 73 74 fovcdmd ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → A X rm n ∈ ℕ 0
76 40 75 sselid ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → A X rm n ∈ ℚ
77 zssq ⊢ ℤ ⊆ ℚ
78 frmy ⊢ Y rm : ℤ ≥ 2 × ℤ ⟶ ℤ
79 78 a1i ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → Y rm : ℤ ≥ 2 × ℤ ⟶ ℤ
80 79 73 74 fovcdmd ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → A Y rm n ∈ ℤ
81 77 80 sselid ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → A Y rm n ∈ ℚ
82 qirropth ⊢ A 2 − 1 ∈ ℂ ∖ ℚ ∧ X ∈ ℚ ∧ Y ∈ ℚ ∧ A X rm n ∈ ℚ ∧ A Y rm n ∈ ℚ → X + A 2 − 1 ⁢ Y = A X rm n + A 2 − 1 ⁢ A Y rm n ↔ X = A X rm n ∧ Y = A Y rm n
83 68 69 70 76 81 82 syl122anc ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → X + A 2 − 1 ⁢ Y = A X rm n + A 2 − 1 ⁢ A Y rm n ↔ X = A X rm n ∧ Y = A Y rm n
84 rmxyval ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ n ∈ ℤ → A X rm n + A 2 − 1 ⁢ A Y rm n = A + A 2 − 1 n
85 84 3ad2antl1 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → A X rm n + A 2 − 1 ⁢ A Y rm n = A + A 2 − 1 n
86 rmspecfund ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 → PellFund ⁡ A 2 − 1 = A + A 2 − 1
87 86 3ad2ant1 ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → PellFund ⁡ A 2 − 1 = A + A 2 − 1
88 87 adantr ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → PellFund ⁡ A 2 − 1 = A + A 2 − 1
89 88 oveq1d ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → PellFund ⁡ A 2 − 1 n = A + A 2 − 1 n
90 85 89 eqtr4d ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → A X rm n + A 2 − 1 ⁢ A Y rm n = PellFund ⁡ A 2 − 1 n
91 90 eqeq2d ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → X + A 2 − 1 ⁢ Y = A X rm n + A 2 − 1 ⁢ A Y rm n ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y = PellFund ⁡ A 2 − 1 n
92 83 91 bitr3d ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ ∧ n ∈ ℤ → X = A X rm n ∧ Y = A Y rm n ↔ X + A 2 − 1 ⁢ Y = PellFund ⁡ A 2 − 1 n
93 92 rexbidva ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → ∃ n ∈ ℤ X = A X rm n ∧ Y = A Y rm n ↔ ∃ n ∈ ℤ X + A 2 − 1 ⁢ Y = PellFund ⁡ A 2 − 1 n
94 4 67 93 3bitr4d ⊢ A ∈ ℤ ≥ 2 ∧ X ∈ ℕ 0 ∧ Y ∈ ℤ → X 2 − A 2 − 1 ⁢ Y 2 = 1 ↔ ∃ n ∈ ℤ X = A X rm n ∧ Y = A Y rm n