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Theorem znfld

Description: The Z/nZ structure is a finite field when n is prime. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Jun-2015)

Ref Expression
Hypothesis zntos.y ⊢ Y = ℤ/Nℤ
Assertion znfld ⊢ N ∈ ℙ → Y ∈ Field

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 zntos.y ⊢ Y = ℤ/Nℤ
2 prmnn ⊢ N ∈ ℙ → N ∈ ℕ
3 nnnn0 ⊢ N ∈ ℕ → N ∈ ℕ 0
4 2 3 syl ⊢ N ∈ ℙ → N ∈ ℕ 0
5 1 zncrng ⊢ N ∈ ℕ 0 → Y ∈ CRing
6 4 5 syl ⊢ N ∈ ℙ → Y ∈ CRing
7 crngring ⊢ Y ∈ CRing → Y ∈ Ring
8 2 3 5 7 4syl ⊢ N ∈ ℙ → Y ∈ Ring
9 hash2 ⊢ 2 𝑜 = 2
10 prmuz2 ⊢ N ∈ ℙ → N ∈ ℤ ≥ 2
11 eluzle ⊢ N ∈ ℤ ≥ 2 → 2 ≤ N
12 10 11 syl ⊢ N ∈ ℙ → 2 ≤ N
13 eqid ⊢ Base Y = Base Y
14 1 13 znhash ⊢ N ∈ ℕ → Base Y = N
15 2 14 syl ⊢ N ∈ ℙ → Base Y = N
16 12 15 breqtrrd ⊢ N ∈ ℙ → 2 ≤ Base Y
17 9 16 eqbrtrid ⊢ N ∈ ℙ → 2 𝑜 ≤ Base Y
18 2onn ⊢ 2 𝑜 ∈ ω
19 nnfi ⊢ 2 𝑜 ∈ ω → 2 𝑜 ∈ Fin
20 18 19 ax-mp ⊢ 2 𝑜 ∈ Fin
21 fvex ⊢ Base Y ∈ V
22 hashdom ⊢ 2 𝑜 ∈ Fin ∧ Base Y ∈ V → 2 𝑜 ≤ Base Y ↔ 2 𝑜 ≼ Base Y
23 20 21 22 mp2an ⊢ 2 𝑜 ≤ Base Y ↔ 2 𝑜 ≼ Base Y
24 17 23 sylib ⊢ N ∈ ℙ → 2 𝑜 ≼ Base Y
25 13 isnzr2 ⊢ Y ∈ NzRing ↔ Y ∈ Ring ∧ 2 𝑜 ≼ Base Y
26 8 24 25 sylanbrc ⊢ N ∈ ℙ → Y ∈ NzRing
27 eqid ⊢ ℤRHom ⁡ Y = ℤRHom ⁡ Y
28 1 13 27 znzrhfo ⊢ N ∈ ℕ 0 → ℤRHom ⁡ Y : ℤ ⟶ onto Base Y
29 4 28 syl ⊢ N ∈ ℙ → ℤRHom ⁡ Y : ℤ ⟶ onto Base Y
30 foelrn ⊢ ℤRHom ⁡ Y : ℤ ⟶ onto Base Y ∧ x ∈ Base Y → ∃ z ∈ ℤ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z
31 foelrn ⊢ ℤRHom ⁡ Y : ℤ ⟶ onto Base Y ∧ y ∈ Base Y → ∃ w ∈ ℤ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w
32 30 31 anim12dan ⊢ ℤRHom ⁡ Y : ℤ ⟶ onto Base Y ∧ x ∈ Base Y ∧ y ∈ Base Y → ∃ z ∈ ℤ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ ∃ w ∈ ℤ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w
33 29 32 sylan ⊢ N ∈ ℙ ∧ x ∈ Base Y ∧ y ∈ Base Y → ∃ z ∈ ℤ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ ∃ w ∈ ℤ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w
34 reeanv ⊢ ∃ z ∈ ℤ ∃ w ∈ ℤ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w ↔ ∃ z ∈ ℤ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ ∃ w ∈ ℤ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w
35 euclemma ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → N ∥ z ⁢ w ↔ N ∥ z ∨ N ∥ w
36 35 3expb ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → N ∥ z ⁢ w ↔ N ∥ z ∨ N ∥ w
37 8 adantr ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → Y ∈ Ring
38 27 zrhrhm ⊢ Y ∈ Ring → ℤRHom ⁡ Y ∈ ℤ ring RingHom Y
39 37 38 syl ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ∈ ℤ ring RingHom Y
40 simprl ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → z ∈ ℤ
41 simprr ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → w ∈ ℤ
42 zringbas ⊢ ℤ = Base ℤ ring
43 zringmulr ⊢ × = ⋅ ℤ ring
44 eqid ⊢ ⋅ Y = ⋅ Y
45 42 43 44 rhmmul ⊢ ℤRHom ⁡ Y ∈ ℤ ring RingHom Y ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⁢ w = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⋅ Y ℤRHom ⁡ Y ⁡ w
46 39 40 41 45 syl3anc ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⁢ w = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⋅ Y ℤRHom ⁡ Y ⁡ w
47 46 eqeq1d ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⁢ w = 0 Y ↔ ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⋅ Y ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y
48 zmulcl ⊢ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → z ⁢ w ∈ ℤ
49 eqid ⊢ 0 Y = 0 Y
50 1 27 49 zndvds0 ⊢ N ∈ ℕ 0 ∧ z ⁢ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⁢ w = 0 Y ↔ N ∥ z ⁢ w
51 4 48 50 syl2an ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⁢ w = 0 Y ↔ N ∥ z ⁢ w
52 47 51 bitr3d ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⋅ Y ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y ↔ N ∥ z ⁢ w
53 1 27 49 zndvds0 ⊢ N ∈ ℕ 0 ∧ z ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ↔ N ∥ z
54 4 40 53 syl2an2r ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ↔ N ∥ z
55 1 27 49 zndvds0 ⊢ N ∈ ℕ 0 ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y ↔ N ∥ w
56 4 41 55 syl2an2r ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y ↔ N ∥ w
57 54 56 orbi12d ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ∨ ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y ↔ N ∥ z ∨ N ∥ w
58 36 52 57 3bitr4d ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⋅ Y ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y ↔ ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ∨ ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y
59 58 biimpd ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⋅ Y ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ∨ ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y
60 oveq12 ⊢ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → x ⋅ Y y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⋅ Y ℤRHom ⁡ Y ⁡ w
61 60 eqeq1d ⊢ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → x ⋅ Y y = 0 Y ↔ ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⋅ Y ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y
62 eqeq1 ⊢ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z → x = 0 Y ↔ ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y
63 62 orbi1d ⊢ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z → x = 0 Y ∨ y = 0 Y ↔ ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ∨ y = 0 Y
64 eqeq1 ⊢ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → y = 0 Y ↔ ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y
65 64 orbi2d ⊢ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ∨ y = 0 Y ↔ ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ∨ ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y
66 63 65 sylan9bb ⊢ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → x = 0 Y ∨ y = 0 Y ↔ ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ∨ ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y
67 61 66 imbi12d ⊢ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → x ⋅ Y y = 0 Y → x = 0 Y ∨ y = 0 Y ↔ ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ⋅ Y ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y → ℤRHom ⁡ Y ⁡ z = 0 Y ∨ ℤRHom ⁡ Y ⁡ w = 0 Y
68 59 67 syl5ibrcom ⊢ N ∈ ℙ ∧ z ∈ ℤ ∧ w ∈ ℤ → x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → x ⋅ Y y = 0 Y → x = 0 Y ∨ y = 0 Y
69 68 rexlimdvva ⊢ N ∈ ℙ → ∃ z ∈ ℤ ∃ w ∈ ℤ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → x ⋅ Y y = 0 Y → x = 0 Y ∨ y = 0 Y
70 34 69 biimtrrid ⊢ N ∈ ℙ → ∃ z ∈ ℤ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ ∃ w ∈ ℤ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → x ⋅ Y y = 0 Y → x = 0 Y ∨ y = 0 Y
71 70 imp ⊢ N ∈ ℙ ∧ ∃ z ∈ ℤ x = ℤRHom ⁡ Y ⁡ z ∧ ∃ w ∈ ℤ y = ℤRHom ⁡ Y ⁡ w → x ⋅ Y y = 0 Y → x = 0 Y ∨ y = 0 Y
72 33 71 syldan ⊢ N ∈ ℙ ∧ x ∈ Base Y ∧ y ∈ Base Y → x ⋅ Y y = 0 Y → x = 0 Y ∨ y = 0 Y
73 72 ralrimivva ⊢ N ∈ ℙ → ∀ x ∈ Base Y ∀ y ∈ Base Y x ⋅ Y y = 0 Y → x = 0 Y ∨ y = 0 Y
74 13 44 49 isdomn ⊢ Y ∈ Domn ↔ Y ∈ NzRing ∧ ∀ x ∈ Base Y ∀ y ∈ Base Y x ⋅ Y y = 0 Y → x = 0 Y ∨ y = 0 Y
75 26 73 74 sylanbrc ⊢ N ∈ ℙ → Y ∈ Domn
76 isidom ⊢ Y ∈ IDomn ↔ Y ∈ CRing ∧ Y ∈ Domn
77 6 75 76 sylanbrc ⊢ N ∈ ℙ → Y ∈ IDomn
78 1 13 znfi ⊢ N ∈ ℕ → Base Y ∈ Fin
79 2 78 syl ⊢ N ∈ ℙ → Base Y ∈ Fin
80 13 fiidomfld ⊢ Base Y ∈ Fin → Y ∈ IDomn ↔ Y ∈ Field
81 79 80 syl ⊢ N ∈ ℙ → Y ∈ IDomn ↔ Y ∈ Field
82 77 81 mpbid ⊢ N ∈ ℙ → Y ∈ Field