Theorem dfgrp3me 13882

Description: Alternate definition of a group as a set with a closed, associative operation, for which solutions x and y of the equations ( a .+ x ) = b and ( x .+ a ) = b exist. Exercise 1 of [Herstein] p. 57. (Contributed by NM, 5-Dec-2006.) (Revised by AV, 28-Aug-2021.)

Hypotheses

Ref	Expression
dfgrp3.b	|- B = ( Base ` G )
dfgrp3.p	|- .+ = ( +g ` G )

Assertion

Ref	Expression
dfgrp3me	|- ( G e. Grp <-> ( E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) )

Distinct variable groups:   B, l, r, w, x, y, z   G, l, r, w, x, y, z   .+ , l, r, w, x, y, z

Proof of Theorem dfgrp3me

Dummy variable a is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		dfgrp3.b	. . 3 |- B = ( Base ` G )
2		dfgrp3.p	. . 3 |- .+ = ( +g ` G )
3	1, 2	dfgrp3m 13881	. 2 |- ( G e. Grp <-> ( G e. Smgrp /\ E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) )
4		simp2 1029	. . . 4 |- ( ( G e. Smgrp /\ E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> E. w w e. B )
5		sgrpmgm 13699	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( G e. Smgrp -> G e. Mgm )
6	5	adantr 276	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) -> G e. Mgm )
7	6	adantr 276	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) -> G e. Mgm )
8		simpr 110	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) -> x e. B )
9	8	adantr 276	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) -> x e. B )
10		simpr 110	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) -> y e. B )
11	1, 2	mgmcl 13656	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( G e. Mgm /\ x e. B /\ y e. B ) -> ( x .+ y ) e. B )
12	7, 9, 10, 11	syl3anc 1278	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) -> ( x .+ y ) e. B )
13	12	adantr 276	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> ( x .+ y ) e. B )
14	1, 2	sgrpass 13700	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( G e. Smgrp /\ ( x e. B /\ y e. B /\ z e. B ) ) -> ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) )
15	14	3anassrs 1260	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) /\ z e. B ) -> ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) )
16	15	ralrimiva 2623	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) -> A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) )
17	16	adantr 276	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) )
18		simpr 110	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) )
19	13, 17, 18	3jca 1208	. . . . . . . . 9 |- ( ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) )
20	19	ex 115	. . . . . . . 8 |- ( ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) /\ y e. B ) -> ( ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) -> ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) )
21	20	ralimdva 2617	. . . . . . 7 |- ( ( G e. Smgrp /\ x e. B ) -> ( A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) -> A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) )
22	21	ralimdva 2617	. . . . . 6 |- ( G e. Smgrp -> ( A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) -> A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) )
23	22	a1d 22	. . . . 5 |- ( G e. Smgrp -> ( E. w w e. B -> ( A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) -> A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) ) )
24	23	3imp 1224	. . . 4 |- ( ( G e. Smgrp /\ E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) )
25	4, 24	jca 306	. . 3 |- ( ( G e. Smgrp /\ E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> ( E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) )
26		eleq1w 2299	. . . . . . 7 |- ( w = a -> ( w e. B <-> a e. B ) )
27	26	cbvexv 1974	. . . . . 6 |- ( E. w w e. B <-> E. a a e. B )
28		3simpa 1025	. . . . . . . . 9 |- ( ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) ) )
29	28	2ralimi 2614	. . . . . . . 8 |- ( A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) ) )
30	1, 2	issgrpn0 13697	. . . . . . . 8 |- ( a e. B -> ( G e. Smgrp <-> A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) ) ) )
31	29, 30	imbitrrid 156	. . . . . . 7 |- ( a e. B -> ( A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> G e. Smgrp ) )
32	31	exlimiv 1651	. . . . . 6 |- ( E. a a e. B -> ( A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> G e. Smgrp ) )
33	27, 32	sylbi 121	. . . . 5 |- ( E. w w e. B -> ( A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> G e. Smgrp ) )
34	33	imp 124	. . . 4 |- ( ( E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) -> G e. Smgrp )
35		simpl 109	. . . 4 |- ( ( E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) -> E. w w e. B )
36		simp3 1030	. . . . . 6 |- ( ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) )
37	36	2ralimi 2614	. . . . 5 |- ( A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) -> A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) )
38	37	adantl 277	. . . 4 |- ( ( E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) -> A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) )
39	34, 35, 38	3jca 1208	. . 3 |- ( ( E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) -> ( G e. Smgrp /\ E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) )
40	25, 39	impbii 126	. 2 |- ( ( G e. Smgrp /\ E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) <-> ( E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) )
41	3, 40	bitri 184	1 |- ( G e. Grp <-> ( E. w w e. B /\ A. x e. B A. y e. B ( ( x .+ y ) e. B /\ A. z e. B ( ( x .+ y ) .+ z ) = ( x .+ ( y .+ z ) ) /\ ( E. l e. B ( l .+ x ) = y /\ E. r e. B ( x .+ r ) = y ) ) ) )

Syntax hints:   -> wi 4   /\ wa 104   <-> wb 105   /\ w3a 1009   = wceq 1402   E.wex 1545   e. wcel 2209   A.wral 2528   E.wrex 2529   ` cfv 5372  (class class class)co 6075   Basecbs 13330   +g cplusg 13408  Mgmcmgm 13651  Smgrpcsgrp 13693   Grpcgrp 13782

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 106  ax-ia2 107  ax-ia3 108  ax-in1 623  ax-in2 624  ax-io 721  ax-5 1500  ax-7 1501  ax-gen 1502  ax-ie1 1546  ax-ie2 1547  ax-8 1557  ax-10 1558  ax-11 1559  ax-i12 1560  ax-bndl 1562  ax-4 1563  ax-17 1579  ax-i9 1583  ax-ial 1587  ax-i5r 1588  ax-14 2212  ax-ext 2220  ax-coll 4241  ax-sep 4244  ax-pow 4306  ax-pr 4341  ax-un 4573  ax-setind 4679  ax-cnex 8260  ax-resscn 8261  ax-1re 8263  ax-addrcl 8266

This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-3an 1011  df-tru 1405  df-fal 1408  df-nf 1514  df-sb 1816  df-eu 2089  df-mo 2090  df-clab 2225  df-cleq 2231  df-clel 2234  df-nfc 2381  df-ne 2421  df-ral 2533  df-rex 2534  df-reu 2535  df-rmo 2536  df-rab 2537  df-v 2823  df-sbc 3052  df-csb 3148  df-dif 3222  df-un 3224  df-in 3226  df-ss 3233  df-pw 3687  df-sn 3711  df-pr 3712  df-op 3714  df-uni 3931  df-int 3966  df-iun 4009  df-br 4126  df-opab 4188  df-mpt 4189  df-id 4433  df-xp 4775  df-rel 4776  df-cnv 4777  df-co 4778  df-dm 4779  df-rn 4780  df-res 4781  df-ima 4782  df-iota 5332  df-fun 5374  df-fn 5375  df-f 5376  df-f1 5377  df-fo 5378  df-f1o 5379  df-fv 5380  df-riota 6028  df-ov 6078  df-oprab 6079  df-mpo 6080  df-1st 6364  df-2nd 6365  df-inn 9284  df-2 9342  df-ndx 13333  df-slot 13334  df-base 13336  df-plusg 13421  df-0g 13589  df-mgm 13653  df-sgrp 13694  df-mnd 13707  df-grp 13785  df-minusg 13786  df-sbg 13787

This theorem is referenced by: (None)