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Theorem r1pid2

Description: Identity law for polynomial remainder operation: it leaves a polynomial A unchanged iff the degree of A is less than the degree of the divisor B . (Contributed by Thierry Arnoux, 2-Apr-2025) Generalize to domains. (Revised by SN, 21-Jun-2025)

Ref Expression
Hypotheses r1pid2.p 𝑃 = ( Poly1𝑅 )
r1pid2.u 𝑈 = ( Base ‘ 𝑃 )
r1pid2.n 𝑁 = ( Unic1p𝑅 )
r1pid2.e 𝐸 = ( rem1p𝑅 )
r1pid2.d 𝐷 = ( deg1𝑅 )
r1pid2.r ( 𝜑𝑅 ∈ Domn )
r1pid2.a ( 𝜑𝐴𝑈 )
r1pid2.b ( 𝜑𝐵𝑁 )
Assertion r1pid2 ( 𝜑 → ( ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) = 𝐴 ↔ ( 𝐷𝐴 ) < ( 𝐷𝐵 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 r1pid2.p 𝑃 = ( Poly1𝑅 )
2 r1pid2.u 𝑈 = ( Base ‘ 𝑃 )
3 r1pid2.n 𝑁 = ( Unic1p𝑅 )
4 r1pid2.e 𝐸 = ( rem1p𝑅 )
5 r1pid2.d 𝐷 = ( deg1𝑅 )
6 r1pid2.r ( 𝜑𝑅 ∈ Domn )
7 r1pid2.a ( 𝜑𝐴𝑈 )
8 r1pid2.b ( 𝜑𝐵𝑁 )
9 eqid ( 0g𝑃 ) = ( 0g𝑃 )
10 eqid ( .r𝑃 ) = ( .r𝑃 )
11 domnring ( 𝑅 ∈ Domn → 𝑅 ∈ Ring )
12 6 11 syl ( 𝜑𝑅 ∈ Ring )
13 eqid ( quot1p𝑅 ) = ( quot1p𝑅 )
14 13 1 2 3 q1pcl ( ( 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝐴𝑈𝐵𝑁 ) → ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ∈ 𝑈 )
15 12 7 8 14 syl3anc ( 𝜑 → ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ∈ 𝑈 )
16 1 2 3 uc1pcl ( 𝐵𝑁𝐵𝑈 )
17 8 16 syl ( 𝜑𝐵𝑈 )
18 1 9 3 uc1pn0 ( 𝐵𝑁𝐵 ≠ ( 0g𝑃 ) )
19 8 18 syl ( 𝜑𝐵 ≠ ( 0g𝑃 ) )
20 17 19 eldifsnd ( 𝜑𝐵 ∈ ( 𝑈 ∖ { ( 0g𝑃 ) } ) )
21 1 ply1domn ( 𝑅 ∈ Domn → 𝑃 ∈ Domn )
22 6 21 syl ( 𝜑𝑃 ∈ Domn )
23 2 9 10 15 20 22 domneq0r ( 𝜑 → ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) = ( 0g𝑃 ) ↔ ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) = ( 0g𝑃 ) ) )
24 eqid ( +g𝑃 ) = ( +g𝑃 )
25 1 2 3 13 4 10 24 r1pid ( ( 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝐴𝑈𝐵𝑁 ) → 𝐴 = ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) )
26 12 7 8 25 syl3anc ( 𝜑𝐴 = ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) )
27 26 eqeq2d ( 𝜑 → ( ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) = 𝐴 ↔ ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) = ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) ) )
28 eqcom ( ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) = ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ↔ ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) = ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) )
29 27 28 bitr4di ( 𝜑 → ( ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) = 𝐴 ↔ ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) = ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) )
30 domnring ( 𝑃 ∈ Domn → 𝑃 ∈ Ring )
31 22 30 syl ( 𝜑𝑃 ∈ Ring )
32 31 ringgrpd ( 𝜑𝑃 ∈ Grp )
33 4 1 2 3 r1pcl ( ( 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝐴𝑈𝐵𝑁 ) → ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ∈ 𝑈 )
34 12 7 8 33 syl3anc ( 𝜑 → ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ∈ 𝑈 )
35 2 24 9 32 34 grplidd ( 𝜑 → ( ( 0g𝑃 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) = ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) )
36 35 eqeq2d ( 𝜑 → ( ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) = ( ( 0g𝑃 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) ↔ ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) = ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) )
37 2 10 31 15 17 ringcld ( 𝜑 → ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ∈ 𝑈 )
38 2 9 ring0cl ( 𝑃 ∈ Ring → ( 0g𝑃 ) ∈ 𝑈 )
39 31 38 syl ( 𝜑 → ( 0g𝑃 ) ∈ 𝑈 )
40 2 24 grprcan ( ( 𝑃 ∈ Grp ∧ ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ∈ 𝑈 ∧ ( 0g𝑃 ) ∈ 𝑈 ∧ ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ∈ 𝑈 ) ) → ( ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) = ( ( 0g𝑃 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) ↔ ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) = ( 0g𝑃 ) ) )
41 32 37 39 34 40 syl13anc ( 𝜑 → ( ( ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) = ( ( 0g𝑃 ) ( +g𝑃 ) ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) ) ↔ ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) = ( 0g𝑃 ) ) )
42 29 36 41 3bitr2d ( 𝜑 → ( ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) = 𝐴 ↔ ( ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) = ( 0g𝑃 ) ) )
43 2 10 9 31 17 ringlzd ( 𝜑 → ( ( 0g𝑃 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) = ( 0g𝑃 ) )
44 43 oveq2d ( 𝜑 → ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( ( 0g𝑃 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ) = ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( 0g𝑃 ) ) )
45 eqid ( -g𝑃 ) = ( -g𝑃 )
46 2 9 45 grpsubid1 ( ( 𝑃 ∈ Grp ∧ 𝐴𝑈 ) → ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( 0g𝑃 ) ) = 𝐴 )
47 32 7 46 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( 0g𝑃 ) ) = 𝐴 )
48 44 47 eqtr2d ( 𝜑𝐴 = ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( ( 0g𝑃 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ) )
49 48 fveq2d ( 𝜑 → ( 𝐷𝐴 ) = ( 𝐷 ‘ ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( ( 0g𝑃 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ) ) )
50 49 breq1d ( 𝜑 → ( ( 𝐷𝐴 ) < ( 𝐷𝐵 ) ↔ ( 𝐷 ‘ ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( ( 0g𝑃 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ) ) < ( 𝐷𝐵 ) ) )
51 39 biantrurd ( 𝜑 → ( ( 𝐷 ‘ ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( ( 0g𝑃 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ) ) < ( 𝐷𝐵 ) ↔ ( ( 0g𝑃 ) ∈ 𝑈 ∧ ( 𝐷 ‘ ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( ( 0g𝑃 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ) ) < ( 𝐷𝐵 ) ) ) )
52 13 1 2 5 45 10 3 q1peqb ( ( 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝐴𝑈𝐵𝑁 ) → ( ( ( 0g𝑃 ) ∈ 𝑈 ∧ ( 𝐷 ‘ ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( ( 0g𝑃 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ) ) < ( 𝐷𝐵 ) ) ↔ ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) = ( 0g𝑃 ) ) )
53 12 7 8 52 syl3anc ( 𝜑 → ( ( ( 0g𝑃 ) ∈ 𝑈 ∧ ( 𝐷 ‘ ( 𝐴 ( -g𝑃 ) ( ( 0g𝑃 ) ( .r𝑃 ) 𝐵 ) ) ) < ( 𝐷𝐵 ) ) ↔ ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) = ( 0g𝑃 ) ) )
54 50 51 53 3bitrd ( 𝜑 → ( ( 𝐷𝐴 ) < ( 𝐷𝐵 ) ↔ ( 𝐴 ( quot1p𝑅 ) 𝐵 ) = ( 0g𝑃 ) ) )
55 23 42 54 3bitr4d ( 𝜑 → ( ( 𝐴 𝐸 𝐵 ) = 𝐴 ↔ ( 𝐷𝐴 ) < ( 𝐷𝐵 ) ) )