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Theorem mersenne 20466
Description: A Mersenne prime is a prime number of the form  2 ^ P  - 
1. This theorem shows that the  P in this expression is necessarily also prime. (Contributed by Mario Carneiro, 17-May-2016.)
Assertion
Ref Expression
mersenne  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  P  e.  Prime )

Proof of Theorem mersenne
Dummy variables  k  n are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 simpl 443 . . 3  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  P  e.  ZZ )
2 2nn0 9982 . . . . . . 7  |-  2  e.  NN0
32numexp1 13092 . . . . . 6  |-  ( 2 ^ 1 )  =  2
4 df-2 9804 . . . . . 6  |-  2  =  ( 1  +  1 )
53, 4eqtri 2303 . . . . 5  |-  ( 2 ^ 1 )  =  ( 1  +  1 )
6 prmuz2 12776 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( 2 ^ P
)  -  1 )  e.  Prime  ->  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  ( ZZ>= `  2 )
)
76adantl 452 . . . . . . 7  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  ( ZZ>= ` 
2 ) )
8 eluz2b2 10290 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( 2 ^ P
)  -  1 )  e.  ( ZZ>= `  2
)  <->  ( ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  NN  /\  1  < 
( ( 2 ^ P )  -  1 ) ) )
98simprbi 450 . . . . . . 7  |-  ( ( ( 2 ^ P
)  -  1 )  e.  ( ZZ>= `  2
)  ->  1  <  ( ( 2 ^ P
)  -  1 ) )
107, 9syl 15 . . . . . 6  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  1  <  ( ( 2 ^ P )  -  1 ) )
11 1re 8837 . . . . . . . 8  |-  1  e.  RR
1211a1i 10 . . . . . . 7  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  1  e.  RR )
13 2re 9815 . . . . . . . . 9  |-  2  e.  RR
1413a1i 10 . . . . . . . 8  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  2  e.  RR )
15 2ne0 9829 . . . . . . . . 9  |-  2  =/=  0
1615a1i 10 . . . . . . . 8  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  2  =/=  0 )
1714, 16, 1reexpclzd 11270 . . . . . . 7  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  ( 2 ^ P
)  e.  RR )
1812, 12, 17ltaddsubd 9372 . . . . . 6  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  ( ( 1  +  1 )  <  (
2 ^ P )  <->  1  <  ( ( 2 ^ P )  -  1 ) ) )
1910, 18mpbird 223 . . . . 5  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  ( 1  +  1 )  <  ( 2 ^ P ) )
205, 19syl5eqbr 4056 . . . 4  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  ( 2 ^ 1 )  <  ( 2 ^ P ) )
21 1z 10053 . . . . . 6  |-  1  e.  ZZ
2221a1i 10 . . . . 5  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  1  e.  ZZ )
23 1lt2 9886 . . . . . 6  |-  1  <  2
2423a1i 10 . . . . 5  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  1  <  2 )
2514, 22, 1, 24ltexp2d 11274 . . . 4  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  ( 1  <  P  <->  ( 2 ^ 1 )  <  ( 2 ^ P ) ) )
2620, 25mpbird 223 . . 3  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  1  <  P )
27 eluz2b1 10289 . . 3  |-  ( P  e.  ( ZZ>= `  2
)  <->  ( P  e.  ZZ  /\  1  < 
P ) )
281, 26, 27sylanbrc 645 . 2  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  P  e.  ( ZZ>= ` 
2 ) )
29 simpllr 735 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ P
)  -  1 )  e.  Prime )
30 prmnn 12761 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( 2 ^ P
)  -  1 )  e.  Prime  ->  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  NN )
3129, 30syl 15 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ P
)  -  1 )  e.  NN )
3231nncnd 9762 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ P
)  -  1 )  e.  CC )
33 2nn 9877 . . . . . . . . . . 11  |-  2  e.  NN
34 elfzuz 10794 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) )  ->  k  e.  ( ZZ>= `  2 )
)
3534ad2antlr 707 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  k  e.  ( ZZ>= `  2 )
)
36 eluz2b2 10290 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( k  e.  ( ZZ>= `  2
)  <->  ( k  e.  NN  /\  1  < 
k ) )
3736simplbi 446 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( k  e.  ( ZZ>= `  2
)  ->  k  e.  NN )
3835, 37syl 15 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  k  e.  NN )
3938nnnn0d 10018 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  k  e.  NN0 )
40 nnexpcl 11116 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( 2  e.  NN  /\  k  e.  NN0 )  -> 
( 2 ^ k
)  e.  NN )
4133, 39, 40sylancr 644 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ k )  e.  NN )
4241nnzd 10116 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ k )  e.  ZZ )
43 peano2zm 10062 . . . . . . . . 9  |-  ( ( 2 ^ k )  e.  ZZ  ->  (
( 2 ^ k
)  -  1 )  e.  ZZ )
4442, 43syl 15 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ k
)  -  1 )  e.  ZZ )
4544zred 10117 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ k
)  -  1 )  e.  RR )
4645recnd 8861 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ k
)  -  1 )  e.  CC )
47 0re 8838 . . . . . . . . . 10  |-  0  e.  RR
4847a1i 10 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  0  e.  RR )
4911a1i 10 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  1  e.  RR )
50 0lt1 9296 . . . . . . . . . 10  |-  0  <  1
5150a1i 10 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  0  <  1 )
5236simprbi 450 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( k  e.  ( ZZ>= `  2
)  ->  1  <  k )
5335, 52syl 15 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  1  <  k )
5413a1i 10 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  2  e.  RR )
5521a1i 10 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  1  e.  ZZ )
56 elfzelz 10798 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) )  ->  k  e.  ZZ )
5756ad2antlr 707 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  k  e.  ZZ )
5823a1i 10 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  1  <  2 )
5954, 55, 57, 58ltexp2d 11274 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
1  <  k  <->  ( 2 ^ 1 )  < 
( 2 ^ k
) ) )
6053, 59mpbid 201 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ 1 )  <  ( 2 ^ k ) )
615, 60syl5eqbrr 4057 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
1  +  1 )  <  ( 2 ^ k ) )
6241nnred 9761 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ k )  e.  RR )
6349, 49, 62ltaddsubd 9372 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 1  +  1 )  <  ( 2 ^ k )  <->  1  <  ( ( 2 ^ k
)  -  1 ) ) )
6461, 63mpbid 201 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  1  <  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) )
6548, 49, 45, 51, 64lttrd 8977 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  0  <  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) )
66 elnnz 10034 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( 2 ^ k
)  -  1 )  e.  NN  <->  ( (
( 2 ^ k
)  -  1 )  e.  ZZ  /\  0  <  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) ) )
6744, 65, 66sylanbrc 645 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ k
)  -  1 )  e.  NN )
6867nnne0d 9790 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ k
)  -  1 )  =/=  0 )
6932, 46, 68divcan2d 9538 . . . . 5  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( ( 2 ^ k )  -  1 )  x.  ( ( ( 2 ^ P
)  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  - 
1 ) ) )  =  ( ( 2 ^ P )  - 
1 ) )
7069, 29eqeltrd 2357 . . . 4  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( ( 2 ^ k )  -  1 )  x.  ( ( ( 2 ^ P
)  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  - 
1 ) ) )  e.  Prime )
71 eluz2b2 10290 . . . . . 6  |-  ( ( ( 2 ^ k
)  -  1 )  e.  ( ZZ>= `  2
)  <->  ( ( ( 2 ^ k )  -  1 )  e.  NN  /\  1  < 
( ( 2 ^ k )  -  1 ) ) )
7267, 64, 71sylanbrc 645 . . . . 5  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ k
)  -  1 )  e.  ( ZZ>= `  2
) )
7341nncnd 9762 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ k )  e.  CC )
74 ax-1cn 8795 . . . . . . . . . . . 12  |-  1  e.  CC
75 subeq0 9073 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( 2 ^ k
)  e.  CC  /\  1  e.  CC )  ->  ( ( ( 2 ^ k )  - 
1 )  =  0  <-> 
( 2 ^ k
)  =  1 ) )
7673, 74, 75sylancl 643 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( ( 2 ^ k )  -  1 )  =  0  <->  (
2 ^ k )  =  1 ) )
7776necon3bid 2481 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( ( 2 ^ k )  -  1 )  =/=  0  <->  (
2 ^ k )  =/=  1 ) )
7868, 77mpbid 201 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ k )  =/=  1 )
79 simpr 447 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  k  ||  P )
80 eluz2b2 10290 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( P  e.  ( ZZ>= `  2
)  <->  ( P  e.  NN  /\  1  < 
P ) )
8180simplbi 446 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( P  e.  ( ZZ>= `  2
)  ->  P  e.  NN )
8228, 81syl 15 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  P  e.  NN )
8382ad2antrr 706 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  P  e.  NN )
84 nndivdvds 12537 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( P  e.  NN  /\  k  e.  NN )  ->  ( k  ||  P  <->  ( P  /  k )  e.  NN ) )
8583, 38, 84syl2anc 642 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
k  ||  P  <->  ( P  /  k )  e.  NN ) )
8679, 85mpbid 201 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  ( P  /  k )  e.  NN )
8786nnnn0d 10018 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  ( P  /  k )  e. 
NN0 )
8873, 78, 87geoser 12325 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  sum_ n  e.  ( 0 ... (
( P  /  k
)  -  1 ) ) ( ( 2 ^ k ) ^
n )  =  ( ( 1  -  (
( 2 ^ k
) ^ ( P  /  k ) ) )  /  ( 1  -  ( 2 ^ k ) ) ) )
8917ad2antrr 706 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ P )  e.  RR )
9089recnd 8861 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ P )  e.  CC )
91 negsubdi2 9106 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( 2 ^ P
)  e.  CC  /\  1  e.  CC )  -> 
-u ( ( 2 ^ P )  - 
1 )  =  ( 1  -  ( 2 ^ P ) ) )
9290, 74, 91sylancl 643 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  -u (
( 2 ^ P
)  -  1 )  =  ( 1  -  ( 2 ^ P
) ) )
9383nncnd 9762 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  P  e.  CC )
9438nncnd 9762 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  k  e.  CC )
9538nnne0d 9790 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  k  =/=  0 )
9693, 94, 95divcan2d 9538 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
k  x.  ( P  /  k ) )  =  P )
9796oveq2d 5874 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ ( k  x.  ( P  / 
k ) ) )  =  ( 2 ^ P ) )
9854recnd 8861 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  2  e.  CC )
9998, 87, 39expmuld 11248 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ ( k  x.  ( P  / 
k ) ) )  =  ( ( 2 ^ k ) ^
( P  /  k
) ) )
10097, 99eqtr3d 2317 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ P )  =  ( ( 2 ^ k ) ^
( P  /  k
) ) )
101100oveq2d 5874 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
1  -  ( 2 ^ P ) )  =  ( 1  -  ( ( 2 ^ k ) ^ ( P  /  k ) ) ) )
10292, 101eqtrd 2315 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  -u (
( 2 ^ P
)  -  1 )  =  ( 1  -  ( ( 2 ^ k ) ^ ( P  /  k ) ) ) )
103 negsubdi2 9106 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( 2 ^ k
)  e.  CC  /\  1  e.  CC )  -> 
-u ( ( 2 ^ k )  - 
1 )  =  ( 1  -  ( 2 ^ k ) ) )
10473, 74, 103sylancl 643 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  -u (
( 2 ^ k
)  -  1 )  =  ( 1  -  ( 2 ^ k
) ) )
105102, 104oveq12d 5876 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  ( -u ( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  -u (
( 2 ^ k
)  -  1 ) )  =  ( ( 1  -  ( ( 2 ^ k ) ^ ( P  / 
k ) ) )  /  ( 1  -  ( 2 ^ k
) ) ) )
10632, 46, 68div2negd 9551 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  ( -u ( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  -u (
( 2 ^ k
)  -  1 ) )  =  ( ( ( 2 ^ P
)  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  - 
1 ) ) )
10788, 105, 1063eqtr2d 2321 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  sum_ n  e.  ( 0 ... (
( P  /  k
)  -  1 ) ) ( ( 2 ^ k ) ^
n )  =  ( ( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) ) )
108 fzfid 11035 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
0 ... ( ( P  /  k )  - 
1 ) )  e. 
Fin )
109 elfznn0 10822 . . . . . . . . 9  |-  ( n  e.  ( 0 ... ( ( P  / 
k )  -  1 ) )  ->  n  e.  NN0 )
110 zexpcl 11118 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( 2 ^ k
)  e.  ZZ  /\  n  e.  NN0 )  -> 
( ( 2 ^ k ) ^ n
)  e.  ZZ )
11142, 109, 110syl2an 463 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  (
( 2 ^ P
)  -  1 )  e.  Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  /\  n  e.  ( 0 ... (
( P  /  k
)  -  1 ) ) )  ->  (
( 2 ^ k
) ^ n )  e.  ZZ )
112108, 111fsumzcl 12208 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  sum_ n  e.  ( 0 ... (
( P  /  k
)  -  1 ) ) ( ( 2 ^ k ) ^
n )  e.  ZZ )
113107, 112eqeltrrd 2358 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) )  e.  ZZ )
11446mulid2d 8853 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
1  x.  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) )  =  ( ( 2 ^ k )  - 
1 ) )
115 2z 10054 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  2  e.  ZZ
116 elfzm11 10853 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( 2  e.  ZZ  /\  P  e.  ZZ )  ->  ( k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) )  <-> 
( k  e.  ZZ  /\  2  <_  k  /\  k  <  P ) ) )
117115, 1, 116sylancr 644 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  ( k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) )  <-> 
( k  e.  ZZ  /\  2  <_  k  /\  k  <  P ) ) )
118117biimpa 470 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  /\  k  e.  (
2 ... ( P  - 
1 ) ) )  ->  ( k  e.  ZZ  /\  2  <_ 
k  /\  k  <  P ) )
119118simp3d 969 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  /\  k  e.  (
2 ... ( P  - 
1 ) ) )  ->  k  <  P
)
120119adantr 451 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  k  <  P )
1211ad2antrr 706 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  P  e.  ZZ )
12254, 57, 121, 58ltexp2d 11274 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
k  <  P  <->  ( 2 ^ k )  < 
( 2 ^ P
) ) )
123120, 122mpbid 201 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
2 ^ k )  <  ( 2 ^ P ) )
12462, 89, 49, 123ltsub1dd 9384 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ k
)  -  1 )  <  ( ( 2 ^ P )  - 
1 ) )
125114, 124eqbrtrd 4043 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
1  x.  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) )  <  ( ( 2 ^ P )  - 
1 ) )
12631nnred 9761 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 2 ^ P
)  -  1 )  e.  RR )
127 ltmuldiv 9626 . . . . . . . 8  |-  ( ( 1  e.  RR  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  RR  /\  ( ( ( 2 ^ k )  - 
1 )  e.  RR  /\  0  <  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) ) )  ->  ( (
1  x.  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) )  <  ( ( 2 ^ P )  - 
1 )  <->  1  <  ( ( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) ) ) )
12849, 126, 45, 65, 127syl112anc 1186 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( 1  x.  (
( 2 ^ k
)  -  1 ) )  <  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  <->  1  <  ( ( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) ) ) )
129125, 128mpbid 201 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  1  <  ( ( ( 2 ^ P )  - 
1 )  /  (
( 2 ^ k
)  -  1 ) ) )
130 eluz2b1 10289 . . . . . 6  |-  ( ( ( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) )  e.  ( ZZ>= `  2
)  <->  ( ( ( ( 2 ^ P
)  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  - 
1 ) )  e.  ZZ  /\  1  < 
( ( ( 2 ^ P )  - 
1 )  /  (
( 2 ^ k
)  -  1 ) ) ) )
131113, 129, 130sylanbrc 645 . . . . 5  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  (
( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) )  e.  ( ZZ>= `  2
) )
132 nprm 12772 . . . . 5  |-  ( ( ( ( 2 ^ k )  -  1 )  e.  ( ZZ>= ` 
2 )  /\  (
( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) )  e.  ( ZZ>= `  2
) )  ->  -.  ( ( ( 2 ^ k )  - 
1 )  x.  (
( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) ) )  e.  Prime )
13372, 131, 132syl2anc 642 . . . 4  |-  ( ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e. 
Prime )  /\  k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) ) )  /\  k  ||  P )  ->  -.  ( ( ( 2 ^ k )  - 
1 )  x.  (
( ( 2 ^ P )  -  1 )  /  ( ( 2 ^ k )  -  1 ) ) )  e.  Prime )
13470, 133pm2.65da 559 . . 3  |-  ( ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  /\  k  e.  (
2 ... ( P  - 
1 ) ) )  ->  -.  k  ||  P )
135134ralrimiva 2626 . 2  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  A. k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) )  -.  k  ||  P
)
136 isprm3 12767 . 2  |-  ( P  e.  Prime  <->  ( P  e.  ( ZZ>= `  2 )  /\  A. k  e.  ( 2 ... ( P  -  1 ) )  -.  k  ||  P
) )
13728, 135, 136sylanbrc 645 1  |-  ( ( P  e.  ZZ  /\  ( ( 2 ^ P )  -  1 )  e.  Prime )  ->  P  e.  Prime )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:   -. wn 3    -> wi 4    <-> wb 176    /\ wa 358    /\ w3a 934    = wceq 1623    e. wcel 1684    =/= wne 2446   A.wral 2543   class class class wbr 4023   ` cfv 5255  (class class class)co 5858   CCcc 8735   RRcr 8736   0cc0 8737   1c1 8738    + caddc 8740    x. cmul 8742    < clt 8867    <_ cle 8868    - cmin 9037   -ucneg 9038    / cdiv 9423   NNcn 9746   2c2 9795   NN0cn0 9965   ZZcz 10024   ZZ>=cuz 10230   ...cfz 10782   ^cexp 11104   sum_csu 12158    || cdivides 12531   Primecprime 12758
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This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-3 7  ax-mp 8  ax-gen 1533  ax-5 1544  ax-17 1603  ax-9 1635  ax-8 1643  ax-13 1686  ax-14 1688  ax-6 1703  ax-7 1708  ax-11 1715  ax-12 1866  ax-ext 2264  ax-rep 4131  ax-sep 4141  ax-nul 4149  ax-pow 4188  ax-pr 4214  ax-un 4512  ax-inf2 7342  ax-cnex 8793  ax-resscn 8794  ax-1cn 8795  ax-icn 8796  ax-addcl 8797  ax-addrcl 8798  ax-mulcl 8799  ax-mulrcl 8800  ax-mulcom 8801  ax-addass 8802  ax-mulass 8803  ax-distr 8804  ax-i2m1 8805  ax-1ne0 8806  ax-1rid 8807  ax-rnegex 8808  ax-rrecex 8809  ax-cnre 8810  ax-pre-lttri 8811  ax-pre-lttrn 8812  ax-pre-ltadd 8813  ax-pre-mulgt0 8814  ax-pre-sup 8815
This theorem depends on definitions:  df-bi 177  df-or 359  df-an 360  df-3or 935  df-3an 936  df-tru 1310  df-ex 1529  df-nf 1532  df-sb 1630  df-eu 2147  df-mo 2148  df-clab 2270  df-cleq 2276  df-clel 2279  df-nfc 2408  df-ne 2448  df-nel 2449  df-ral 2548  df-rex 2549  df-reu 2550  df-rmo 2551  df-rab 2552  df-v 2790  df-sbc 2992  df-csb 3082  df-dif 3155  df-un 3157  df-in 3159  df-ss 3166  df-pss 3168  df-nul 3456  df-if 3566  df-pw 3627  df-sn 3646  df-pr 3647  df-tp 3648  df-op 3649  df-uni 3828  df-int 3863  df-iun 3907  df-br 4024  df-opab 4078  df-mpt 4079  df-tr 4114  df-eprel 4305  df-id 4309  df-po 4314  df-so 4315  df-fr 4352  df-se 4353  df-we 4354  df-ord 4395  df-on 4396  df-lim 4397  df-suc 4398  df-om 4657  df-xp 4695  df-rel 4696  df-cnv 4697  df-co 4698  df-dm 4699  df-rn 4700  df-res 4701  df-ima 4702  df-iota 5219  df-fun 5257  df-fn 5258  df-f 5259  df-f1 5260  df-fo 5261  df-f1o 5262  df-fv 5263  df-isom 5264  df-ov 5861  df-oprab 5862  df-mpt2 5863  df-1st 6122  df-2nd 6123  df-riota 6304  df-recs 6388  df-rdg 6423  df-1o 6479  df-2o 6480  df-oadd 6483  df-er 6660  df-en 6864  df-dom 6865  df-sdom 6866  df-fin 6867  df-sup 7194  df-oi 7225  df-card 7572  df-pnf 8869  df-mnf 8870  df-xr 8871  df-ltxr 8872  df-le 8873  df-sub 9039  df-neg 9040  df-div 9424  df-nn 9747  df-2 9804  df-3 9805  df-n0 9966  df-z 10025  df-uz 10231  df-rp 10355  df-fz 10783  df-fzo 10871  df-seq 11047  df-exp 11105  df-hash 11338  df-cj 11584  df-re 11585  df-im 11586  df-sqr 11720  df-abs 11721  df-clim 11962  df-sum 12159  df-dvds 12532  df-prm 12759
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