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Theorem issubg2m 13969
Description: Characterize the subgroups of a group by closure properties. (Contributed by Mario Carneiro, 2-Dec-2014.)
Hypotheses
Ref Expression
issubg2.b |- B = ( Base ` G )
issubg2.p |- .+ = ( +g ` G )
issubg2.i |- I = ( invg ` G )
Assertion
Ref Expression
issubg2m |- ( G e. Grp -> ( S e. (SubGrp ` G ) <-> ( S C_ B /\ E. u u e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) )
Distinct variable groups:   u, .+ , x, y   u, B   u, G, x, y   u, I, x, y   u, S, x, y
Allowed substitution hints:   B( x, y)
Proof of Theorem issubg2m
Dummy variables v w r are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 issubg2.b . . . 4 |- B = ( Base ` G )
21subgss 13954 . . 3 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> S C_ B )
3 eqid 2238 . . . . . . 7 |- ( G ↾s S ) = ( G ↾s S )
43subggrp 13957 . . . . . 6 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> ( G ↾s S ) e. Grp )
5 eqid 2238 . . . . . . 7 |- ( Base ` ( G ↾s S ) ) = ( Base ` ( G ↾s S ) )
6 eqid 2238 . . . . . . 7 |- ( 0g ` ( G ↾s S ) ) = ( 0g ` ( G ↾s S ) )
75, 6grpidcl 13811 . . . . . 6 |- ( ( G ↾s S ) e. Grp -> ( 0g ` ( G ↾s S ) ) e. ( Base ` ( G ↾s S ) ) )
84, 7syl 14 . . . . 5 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> ( 0g ` ( G ↾s S ) ) e. ( Base ` ( G ↾s S ) ) )
93subgbas 13958 . . . . 5 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> S = ( Base ` ( G ↾s S ) ) )
108, 9eleqtrrd 2318 . . . 4 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> ( 0g ` ( G ↾s S ) ) e. S )
11 elex2 2838 . . . 4 |- ( ( 0g ` ( G ↾s S ) ) e. S -> E. u u e. S )
1210, 11syl 14 . . 3 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> E. u u e. S )
13 issubg2.p . . . . . . . 8 |- .+ = ( +g ` G )
1413subgcl 13964 . . . . . . 7 |- ( ( S e. (SubGrp ` G ) /\ x e. S /\ y e. S ) -> ( x .+ y ) e. S )
15143expa 1234 . . . . . 6 |- ( ( ( S e. (SubGrp ` G ) /\ x e. S ) /\ y e. S ) -> ( x .+ y ) e. S )
1615ralrimiva 2623 . . . . 5 |- ( ( S e. (SubGrp ` G ) /\ x e. S ) -> A. y e. S ( x .+ y ) e. S )
17 issubg2.i . . . . . 6 |- I = ( invg ` G )
1817subginvcl 13963 . . . . 5 |- ( ( S e. (SubGrp ` G ) /\ x e. S ) -> ( I ` x ) e. S )
1916, 18jca 306 . . . 4 |- ( ( S e. (SubGrp ` G ) /\ x e. S ) -> ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) )
2019ralrimiva 2623 . . 3 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) )
212, 12, 203jca 1208 . 2 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> ( S C_ B /\ E. u u e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) )
22 eleq1w 2299 . . . . 5 |- ( r = u -> ( r e. S <-> u e. S ) )
2322cbvexv 1974 . . . 4 |- ( E. r r e. S <-> E. u u e. S )
24233anbi2i 1222 . . 3 |- ( ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) <-> ( S C_ B /\ E. u u e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) )
25 simpl 109 . . . . 5 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> G e. Grp )
26 simpr1 1034 . . . . 5 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> S C_ B )
273a1i 9 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> ( G ↾s S ) = ( G ↾s S ) )
281a1i 9 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> B = ( Base ` G ) )
29 simpl 109 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> G e. Grp )
30 simpr 110 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> S C_ B )
3127, 28, 29, 30ressbas2d 13399 . . . . . . 7 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> S = ( Base ` ( G ↾s S ) ) )
32313ad2antr1 1193 . . . . . 6 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> S = ( Base ` ( G ↾s S ) ) )
3313a1i 9 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> .+ = ( +g ` G ) )
34 basfn 13389 . . . . . . . . . . 11 |- Base Fn _V
3529elexd 2835 . . . . . . . . . . 11 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> G e. _V )
36 funfvex 5707 . . . . . . . . . . . 12 |- ( ( Fun Base /\ G e. dom Base ) -> ( Base ` G ) e. _V )
3736funfni 5478 . . . . . . . . . . 11 |- ( ( Base Fn _V /\ G e. _V ) -> ( Base ` G ) e. _V )
3834, 35, 37sylancr 418 . . . . . . . . . 10 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> ( Base ` G ) e. _V )
391, 38eqeltrid 2325 . . . . . . . . 9 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> B e. _V )
4039, 30ssexd 4268 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> S e. _V )
4127, 33, 40, 29ressplusgd 13460 . . . . . . 7 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> .+ = ( +g ` ( G ↾s S ) ) )
42413ad2antr1 1193 . . . . . 6 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> .+ = ( +g ` ( G ↾s S ) ) )
43 simpr3 1036 . . . . . . . . 9 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) )
44 simpl 109 . . . . . . . . . 10 |- ( ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) -> A. y e. S ( x .+ y ) e. S )
4544ralimi 2613 . . . . . . . . 9 |- ( A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) -> A. x e. S A. y e. S ( x .+ y ) e. S )
4643, 45syl 14 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> A. x e. S A. y e. S ( x .+ y ) e. S )
47 oveq1 6082 . . . . . . . . . 10 |- ( x = u -> ( x .+ y ) = ( u .+ y ) )
4847eleq1d 2307 . . . . . . . . 9 |- ( x = u -> ( ( x .+ y ) e. S <-> ( u .+ y ) e. S ) )
49 oveq2 6083 . . . . . . . . . 10 |- ( y = v -> ( u .+ y ) = ( u .+ v ) )
5049eleq1d 2307 . . . . . . . . 9 |- ( y = v -> ( ( u .+ y ) e. S <-> ( u .+ v ) e. S ) )
5148, 50rspc2v 2943 . . . . . . . 8 |- ( ( u e. S /\ v e. S ) -> ( A. x e. S A. y e. S ( x .+ y ) e. S -> ( u .+ v ) e. S ) )
5246, 51syl5com 29 . . . . . . 7 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> ( ( u e. S /\ v e. S ) -> ( u .+ v ) e. S ) )
53523impib 1232 . . . . . 6 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. S /\ v e. S ) -> ( u .+ v ) e. S )
5426sseld 3247 . . . . . . . . 9 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> ( u e. S -> u e. B ) )
5526sseld 3247 . . . . . . . . 9 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> ( v e. S -> v e. B ) )
5626sseld 3247 . . . . . . . . 9 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> ( w e. S -> w e. B ) )
5754, 55, 563anim123d 1360 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> ( ( u e. S /\ v e. S /\ w e. S ) -> ( u e. B /\ v e. B /\ w e. B ) ) )
5857imp 124 . . . . . . 7 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ ( u e. S /\ v e. S /\ w e. S ) ) -> ( u e. B /\ v e. B /\ w e. B ) )
591, 13grpass 13791 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ ( u e. B /\ v e. B /\ w e. B ) ) -> ( ( u .+ v ) .+ w ) = ( u .+ ( v .+ w ) ) )
6059adantlr 481 . . . . . . 7 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ ( u e. B /\ v e. B /\ w e. B ) ) -> ( ( u .+ v ) .+ w ) = ( u .+ ( v .+ w ) ) )
6158, 60syldan 282 . . . . . 6 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ ( u e. S /\ v e. S /\ w e. S ) ) -> ( ( u .+ v ) .+ w ) = ( u .+ ( v .+ w ) ) )
62 simpr2 1035 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> E. r r e. S )
6362, 23sylib 122 . . . . . . 7 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> E. u u e. S )
6426sselda 3248 . . . . . . . . 9 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. S ) -> u e. B )
65 eqid 2238 . . . . . . . . . . 11 |- ( 0g ` G ) = ( 0g ` G )
661, 13, 65, 17grplinv 13832 . . . . . . . . . 10 |- ( ( G e. Grp /\ u e. B ) -> ( ( I ` u ) .+ u ) = ( 0g ` G ) )
6766adantlr 481 . . . . . . . . 9 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. B ) -> ( ( I ` u ) .+ u ) = ( 0g ` G ) )
6864, 67syldan 282 . . . . . . . 8 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. S ) -> ( ( I ` u ) .+ u ) = ( 0g ` G ) )
69 simpr 110 . . . . . . . . . . . 12 |- ( ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) -> ( I ` x ) e. S )
7069ralimi 2613 . . . . . . . . . . 11 |- ( A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) -> A. x e. S ( I ` x ) e. S )
7143, 70syl 14 . . . . . . . . . 10 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> A. x e. S ( I ` x ) e. S )
72 fveq2 5690 . . . . . . . . . . . 12 |- ( x = u -> ( I ` x ) = ( I ` u ) )
7372eleq1d 2307 . . . . . . . . . . 11 |- ( x = u -> ( ( I ` x ) e. S <-> ( I ` u ) e. S ) )
7473rspccva 2928 . . . . . . . . . 10 |- ( ( A. x e. S ( I ` x ) e. S /\ u e. S ) -> ( I ` u ) e. S )
7571, 74sylan 283 . . . . . . . . 9 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. S ) -> ( I ` u ) e. S )
76 simpr 110 . . . . . . . . 9 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. S ) -> u e. S )
7746adantr 276 . . . . . . . . 9 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. S ) -> A. x e. S A. y e. S ( x .+ y ) e. S )
78 ovrspc2v 6101 . . . . . . . . 9 |- ( ( ( ( I ` u ) e. S /\ u e. S ) /\ A. x e. S A. y e. S ( x .+ y ) e. S ) -> ( ( I ` u ) .+ u ) e. S )
7975, 76, 77, 78syl21anc 1277 . . . . . . . 8 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. S ) -> ( ( I ` u ) .+ u ) e. S )
8068, 79eqeltrrd 2316 . . . . . . 7 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. S ) -> ( 0g ` G ) e. S )
8163, 80exlimddv 1954 . . . . . 6 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> ( 0g ` G ) e. S )
821, 13, 65grplid 13813 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ u e. B ) -> ( ( 0g ` G ) .+ u ) = u )
8382adantlr 481 . . . . . . 7 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. B ) -> ( ( 0g ` G ) .+ u ) = u )
8464, 83syldan 282 . . . . . 6 |- ( ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) /\ u e. S ) -> ( ( 0g ` G ) .+ u ) = u )
8532, 42, 53, 61, 81, 84, 75, 68isgrpd 13805 . . . . 5 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> ( G ↾s S ) e. Grp )
861issubg 13953 . . . . 5 |- ( S e. (SubGrp ` G ) <-> ( G e. Grp /\ S C_ B /\ ( G ↾s S ) e. Grp ) )
8725, 26, 85, 86syl3anbrc 1212 . . . 4 |- ( ( G e. Grp /\ ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) -> S e. (SubGrp ` G ) )
8887ex 115 . . 3 |- ( G e. Grp -> ( ( S C_ B /\ E. r r e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) -> S e. (SubGrp ` G ) ) )
8924, 88biimtrrid 153 . 2 |- ( G e. Grp -> ( ( S C_ B /\ E. u u e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) -> S e. (SubGrp ` G ) ) )
9021, 89impbid2 143 1 |- ( G e. Grp -> ( S e. (SubGrp ` G ) <-> ( S C_ B /\ E. u u e. S /\ A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) ) ) )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:   -> wi 4   /\ wa 104   <-> wb 105   /\ w3a 1009   = wceq 1402   E.wex 1545   e. wcel 2209   A.wral 2528   _Vcvv 2821   C_ wss 3220   Fn wfn 5367   ` cfv 5372  (class class class)co 6075   Basecbs 13330   ↾s cress 13331   +g cplusg 13408   0gc0g 13587   Grpcgrp 13782   invgcminusg 13783  SubGrpcsubg 13947
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-1cn 8262  ax-1re 8263  ax-icn 8264  ax-addcl 8265  ax-addrcl 8266  ax-mulcl 8267  ax-addcom 8269  ax-addass 8271  ax-i2m1 8274  ax-0lt1 8275  ax-0id 8277  ax-rnegex 8278  ax-pre-ltirr 8281  ax-pre-ltadd 8285
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-nel 2516  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-nul 3521  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-pnf 8352  df-mnf 8353  df-ltxr 8355  df-inn 9284  df-2 9342  df-ndx 13333  df-slot 13334  df-base 13336  df-sets 13337  df-iress 13338  df-plusg 13421  df-0g 13589  df-mgm 13653  df-sgrp 13694  df-mnd 13707  df-grp 13785  df-minusg 13786  df-subg 13950
This theorem is referenced by:  issubgrpd2  13970  issubg3  13972  issubg4m  13973  grpissubg  13974  subgintm  13978  nmzsubg  13990  ghmrn  14037  ghmpreima  14046  subrgugrp  14521  lsssubg  14686  lidlsubg  14795  cnsubglem  14888  mplsubgfi  15015
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