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data.nat.prime

Prime numbers

This file deals with prime numbers: natural numbers p ≥ 2 whose only divisors are p and 1.

Important declarations

All the following declarations exist in the namespace nat.

def nat.prime (p : ℕ) :
Prop

prime p means that p is a prime number, that is, a natural number at least 2 whose only divisors are p and 1.

Equations
theorem nat.prime.two_le {p : ℕ} (a : nat.prime p) :
2 ≤ p

theorem nat.prime.one_lt {p : ℕ} (a : nat.prime p) :
1 < p

@[instance]
def nat.prime.one_lt' (p : ℕ) [hp : fact (nat.prime p)] :
fact (1 < p)

theorem nat.prime.ne_one {p : ℕ} (hp : nat.prime p) :
p ≠ 1

theorem nat.prime_def_lt {p : ℕ} :
nat.prime p ↔ 2 ≤ p ∧ ∀ (m : ℕ), m < p → m ∣ p → m = 1

theorem nat.prime_def_lt' {p : ℕ} :
nat.prime p ↔ 2 ≤ p ∧ ∀ (m : ℕ), 2 ≤ m → m < p → ¬m ∣ p

theorem nat.prime_def_le_sqrt {p : ℕ} :
nat.prime p ↔ 2 ≤ p ∧ ∀ (m : ℕ), 2 ≤ m → m ≤ nat.sqrt p → ¬m ∣ p

This instance is slower than the instance decidable_prime defined below, but has the advantage that it works in the kernel.

If you need to prove that a particular number is prime, in any case you should not use dec_trivial, but rather by norm_num, which is much faster.

Equations
theorem nat.prime.ne_zero {n : ℕ} (h : nat.prime n) :
n ≠ 0

theorem nat.prime.pos {p : ℕ} (pp : nat.prime p) :
0 < p

theorem nat.prime.pred_pos {p : ℕ} (pp : nat.prime p) :
0 < p.pred

theorem nat.succ_pred_prime {p : ℕ} (pp : nat.prime p) :
p.pred.succ = p

theorem nat.dvd_prime {p m : ℕ} (pp : nat.prime p) :
m ∣ p ↔ m = 1 ∨ m = p

theorem nat.dvd_prime_two_le {p m : ℕ} (pp : nat.prime p) (H : 2 ≤ m) :
m ∣ p ↔ m = p

theorem nat.prime_dvd_prime_iff_eq {p q : ℕ} (pp : nat.prime p) (qp : nat.prime q) :
p ∣ q ↔ p = q

theorem nat.prime.not_dvd_one {p : ℕ} (pp : nat.prime p) :
¬p ∣ 1

theorem nat.not_prime_mul {a b : ℕ} (a1 : 1 < a) (b1 : 1 < b) :

def nat.min_fac_aux (n a : ℕ) :

Equations
def nat.min_fac (a : ℕ) :

Returns the smallest prime factor of n ≠ 1.

Equations
@[simp]
theorem nat.min_fac_zero  :

@[simp]
theorem nat.min_fac_one  :

theorem nat.min_fac_eq (n : ℕ) :
n.min_fac = ite (2 ∣ n) 2 (n.min_fac_aux 3)

theorem nat.min_fac_aux_has_prop {n : ℕ} (n2 : 2 ≤ n) (nd2 : ¬2 ∣ n) (k i : ℕ) (a : k = 2 * i + 3) (a_1 : ∀ (m : ℕ), 2 ≤ m → m ∣ n → k ≤ m) :
min_fac_prop n (n.min_fac_aux k)

theorem nat.min_fac_has_prop {n : ℕ} (n1 : n ≠ 1) :
min_fac_prop n n.min_fac

theorem nat.min_fac_dvd (n : ℕ) :

theorem nat.min_fac_prime {n : ℕ} (n1 : n ≠ 1) :

theorem nat.min_fac_le_of_dvd {n m : ℕ} (a : 2 ≤ m) (a_1 : m ∣ n) :

theorem nat.min_fac_pos (n : ℕ) :

theorem nat.min_fac_le {n : ℕ} (H : 0 < n) :

@[instance]

This instance is faster in the virtual machine than decidable_prime_1, but slower in the kernel.

If you need to prove that a particular number is prime, in any case you should not use dec_trivial, but rather by norm_num, which is much faster.

Equations
theorem nat.not_prime_iff_min_fac_lt {n : ℕ} (n2 : 2 ≤ n) :

theorem nat.min_fac_le_div {n : ℕ} (pos : 0 < n) (np : ¬nat.prime n) :

theorem nat.min_fac_sq_le_self {n : ℕ} (w : 0 < n) (h : ¬nat.prime n) :
n.min_fac ^ 2 ≤ n

The square of the smallest prime factor of a composite number n is at most n.

@[simp]
theorem nat.min_fac_eq_one_iff {n : ℕ} :
n.min_fac = 1 ↔ n = 1

@[simp]
theorem nat.min_fac_eq_two_iff (n : ℕ) :
n.min_fac = 2 ↔ 2 ∣ n

theorem nat.exists_dvd_of_not_prime {n : ℕ} (n2 : 2 ≤ n) (np : ¬nat.prime n) :
∃ (m : ℕ), m ∣ n ∧ m ≠ 1 ∧ m ≠ n

theorem nat.exists_dvd_of_not_prime2 {n : ℕ} (n2 : 2 ≤ n) (np : ¬nat.prime n) :
∃ (m : ℕ), m ∣ n ∧ 2 ≤ m ∧ m < n

theorem nat.exists_prime_and_dvd {n : ℕ} (n2 : 2 ≤ n) :
∃ (p : ℕ), nat.prime p ∧ p ∣ n

theorem nat.exists_infinite_primes (n : ℕ) :
∃ (p : ℕ), n ≤ p ∧ nat.prime p

Euclid's theorem. There exist infinitely many prime numbers. Here given in the form: for every n, there exists a prime number p ≥ n.

theorem nat.prime.eq_two_or_odd {p : ℕ} (hp : nat.prime p) :
p = 2 ∨ p % 2 = 1

theorem nat.factors_lemma {k : ℕ} :
(k + 2) / (k + 2).min_fac < k + 2

def nat.factors (a : ℕ) :

factors n is the prime factorization of n, listed in increasing order.

Equations
theorem nat.mem_factors {n p : ℕ} (a : p ∈ n.factors) :

theorem nat.prod_factors {n : ℕ} (a : 0 < n) :

theorem nat.factors_prime {p : ℕ} (hp : nat.prime p) :
p.factors = [p]

theorem nat.factors_add_two (n : ℕ) :
(n + 2).factors = (n + 2).min_fac :: ((n + 2) / (n + 2).min_fac).factors

factors can be constructed inductively by extracting min_fac, for sufficiently large n.

theorem nat.prime.coprime_iff_not_dvd {p n : ℕ} (pp : nat.prime p) :
p.coprime n ↔ ¬p ∣ n

theorem nat.prime.dvd_iff_not_coprime {p n : ℕ} (pp : nat.prime p) :
p ∣ n ↔ ¬p.coprime n

theorem nat.prime.not_coprime_iff_dvd {m n : ℕ} :
¬m.coprime n ↔ ∃ (p : ℕ), nat.prime p ∧ p ∣ m ∧ p ∣ n

theorem nat.prime.dvd_mul {p m n : ℕ} (pp : nat.prime p) :
p ∣ m * n ↔ p ∣ m ∨ p ∣ n

theorem nat.prime.not_dvd_mul {p m n : ℕ} (pp : nat.prime p) (Hm : ¬p ∣ m) (Hn : ¬p ∣ n) :
¬p ∣ m * n

theorem nat.prime.dvd_of_dvd_pow {p m n : ℕ} (pp : nat.prime p) (h : p ∣ m ^ n) :
p ∣ m

theorem nat.prime.pow_not_prime {x n : ℕ} (hn : 2 ≤ n) :

theorem nat.prime.mul_eq_prime_pow_two_iff {x y p : ℕ} (hp : nat.prime p) (hx : x ≠ 1) (hy : y ≠ 1) :
x * y = p ^ 2 ↔ x = p ∧ y = p

theorem nat.prime.dvd_fact {n p : ℕ} (hp : nat.prime p) :
p ∣ n.fact ↔ p ≤ n

theorem nat.prime.coprime_pow_of_not_dvd {p m a : ℕ} (pp : nat.prime p) (h : ¬p ∣ a) :
a.coprime (p ^ m)

theorem nat.coprime_primes {p q : ℕ} (pp : nat.prime p) (pq : nat.prime q) :
p.coprime q ↔ p ≠ q

theorem nat.coprime_pow_primes {p q : ℕ} (n m : ℕ) (pp : nat.prime p) (pq : nat.prime q) (h : p ≠ q) :
(p ^ n).coprime (q ^ m)

theorem nat.coprime_or_dvd_of_prime {p : ℕ} (pp : nat.prime p) (i : ℕ) :
p.coprime i ∨ p ∣ i

theorem nat.dvd_prime_pow {p : ℕ} (pp : nat.prime p) {m i : ℕ} :
i ∣ p ^ m ↔ ∃ (k : ℕ) (H : k ≤ m), i = p ^ k

theorem nat.eq_prime_pow_of_dvd_least_prime_pow {a p k : ℕ} (pp : nat.prime p) (h₁ : ¬a ∣ p ^ k) (h₂ : a ∣ p ^ (k + 1)) :
a = p ^ (k + 1)

If p is prime, and a doesn't divide p^k, but a does divide p^(k+1) then a = p^(k+1).

theorem nat.mem_list_primes_of_dvd_prod {p : ℕ} (hp : nat.prime p) {l : list ℕ} (a : ∀ (p : ℕ), p ∈ l → nat.prime p) (a_1 : p ∣ l.prod) :
p ∈ l

theorem nat.mem_factors_iff_dvd {n p : ℕ} (hn : 0 < n) (hp : nat.prime p) :
p ∈ n.factors ↔ p ∣ n

theorem nat.perm_of_prod_eq_prod {l₁ l₂ : list ℕ} (a : l₁.prod = l₂.prod) (a_1 : ∀ (p : ℕ), p ∈ l₁ → nat.prime p) (a_2 : ∀ (p : ℕ), p ∈ l₂ → nat.prime p) :
l₁ ~ l₂

theorem nat.factors_unique {n : ℕ} {l : list ℕ} (h₁ : l.prod = n) (h₂ : ∀ (p : ℕ), p ∈ l → nat.prime p) :

theorem nat.succ_dvd_or_succ_dvd_of_succ_sum_dvd_mul {p : ℕ} (p_prime : nat.prime p) {m n k l : ℕ} (hpm : p ^ k ∣ m) (hpn : p ^ l ∣ n) (hpmn : p ^ (k + l + 1) ∣ m * n) :
p ^ (k + 1) ∣ m ∨ p ^ (l + 1) ∣ n

def nat.primes  :
Type

The type of prime numbers

Equations
@[instance]

Equations
@[instance]

Equations
theorem nat.primes.coe_nat_inj (p q : nat.primes) (a : ↑p = ↑q) :
p = q

@[instance]
def nat.monoid.prime_pow {α : Type u_1} [monoid α] :

Equations