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Theorem issubg2m 13640
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 13625 . . 3 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> S C_ B )
3 eqid 2207 . . . . . . 7 |- ( G ↾s S ) = ( G ↾s S )
43subggrp 13628 . . . . . 6 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> ( G ↾s S ) e. Grp )
5 eqid 2207 . . . . . . 7 |- ( Base ` ( G ↾s S ) ) = ( Base ` ( G ↾s S ) )
6 eqid 2207 . . . . . . 7 |- ( 0g ` ( G ↾s S ) ) = ( 0g ` ( G ↾s S ) )
75, 6grpidcl 13476 . . . . . 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 13629 . . . . 5 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> S = ( Base ` ( G ↾s S ) ) )
108, 9eleqtrrd 2287 . . . 4 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> ( 0g ` ( G ↾s S ) ) e. S )
11 elex2 2793 . . . 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 13635 . . . . . . 7 |- ( ( S e. (SubGrp ` G ) /\ x e. S /\ y e. S ) -> ( x .+ y ) e. S )
15143expa 1206 . . . . . 6 |- ( ( ( S e. (SubGrp ` G ) /\ x e. S ) /\ y e. S ) -> ( x .+ y ) e. S )
1615ralrimiva 2581 . . . . 5 |- ( ( S e. (SubGrp ` G ) /\ x e. S ) -> A. y e. S ( x .+ y ) e. S )
17 issubg2.i . . . . . 6 |- I = ( invg ` G )
1817subginvcl 13634 . . . . 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 2581 . . 3 |- ( S e. (SubGrp ` G ) -> A. x e. S ( A. y e. S ( x .+ y ) e. S /\ ( I ` x ) e. S ) )
212, 12, 203jca 1180 . 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 2268 . . . . 5 |- ( r = u -> ( r e. S <-> u e. S ) )
2322cbvexv 1943 . . . 4 |- ( E. r r e. S <-> E. u u e. S )
24233anbi2i 1194 . . 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 1006 . . . . 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 13015 . . . . . . 7 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> S = ( Base ` ( G ↾s S ) ) )
32313ad2antr1 1165 . . . . . 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 13005 . . . . . . . . . . 11 |- Base Fn _V
3529elexd 2790 . . . . . . . . . . 11 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> G e. _V )
36 funfvex 5616 . . . . . . . . . . . 12 |- ( ( Fun Base /\ G e. dom Base ) -> ( Base ` G ) e. _V )
3736funfni 5395 . . . . . . . . . . 11 |- ( ( Base Fn _V /\ G e. _V ) -> ( Base ` G ) e. _V )
3834, 35, 37sylancr 414 . . . . . . . . . 10 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> ( Base ` G ) e. _V )
391, 38eqeltrid 2294 . . . . . . . . 9 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> B e. _V )
4039, 30ssexd 4200 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> S e. _V )
4127, 33, 40, 29ressplusgd 13076 . . . . . . 7 |- ( ( G e. Grp /\ S C_ B ) -> .+ = ( +g ` ( G ↾s S ) ) )
42413ad2antr1 1165 . . . . . 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 1008 . . . . . . . . 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 2571 . . . . . . . . 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 5974 . . . . . . . . . 10 |- ( x = u -> ( x .+ y ) = ( u .+ y ) )
4847eleq1d 2276 . . . . . . . . 9 |- ( x = u -> ( ( x .+ y ) e. S <-> ( u .+ y ) e. S ) )
49 oveq2 5975 . . . . . . . . . 10 |- ( y = v -> ( u .+ y ) = ( u .+ v ) )
5049eleq1d 2276 . . . . . . . . 9 |- ( y = v -> ( ( u .+ y ) e. S <-> ( u .+ v ) e. S ) )
5148, 50rspc2v 2897 . . . . . . . 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 1204 . . . . . 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 3200 . . . . . . . . 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 3200 . . . . . . . . 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 3200 . . . . . . . . 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 1332 . . . . . . . 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 13456 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ ( u e. B /\ v e. B /\ w e. B ) ) -> ( ( u .+ v ) .+ w ) = ( u .+ ( v .+ w ) ) )
6059adantlr 477 . . . . . . 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 1007 . . . . . . . 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 3201 . . . . . . . . 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 2207 . . . . . . . . . . 11 |- ( 0g ` G ) = ( 0g ` G )
661, 13, 65, 17grplinv 13497 . . . . . . . . . 10 |- ( ( G e. Grp /\ u e. B ) -> ( ( I ` u ) .+ u ) = ( 0g ` G ) )
6766adantlr 477 . . . . . . . . 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 2571 . . . . . . . . . . 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 5599 . . . . . . . . . . . 12 |- ( x = u -> ( I ` x ) = ( I ` u ) )
7372eleq1d 2276 . . . . . . . . . . 11 |- ( x = u -> ( ( I ` x ) e. S <-> ( I ` u ) e. S ) )
7473rspccva 2883 . . . . . . . . . 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 5993 . . . . . . . . 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 1249 . . . . . . . 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 2285 . . . . . . 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 1923 . . . . . 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 13478 . . . . . . . 8 |- ( ( G e. Grp /\ u e. B ) -> ( ( 0g ` G ) .+ u ) = u )
8382adantlr 477 . . . . . . 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 13470 . . . . 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 13624 . . . . 5 |- ( S e. (SubGrp ` G ) <-> ( G e. Grp /\ S C_ B /\ ( G ↾s S ) e. Grp ) )
8725, 26, 85, 86syl3anbrc 1184 . . . 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 981   = wceq 1373   E.wex 1516   e. wcel 2178   A.wral 2486   _Vcvv 2776   C_ wss 3174   Fn wfn 5285   ` cfv 5290  (class class class)co 5967   Basecbs 12947   ↾s cress 12948   +g cplusg 13024   0gc0g 13203   Grpcgrp 13447   invgcminusg 13448  SubGrpcsubg 13618
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 615  ax-in2 616  ax-io 711  ax-5 1471  ax-7 1472  ax-gen 1473  ax-ie1 1517  ax-ie2 1518  ax-8 1528  ax-10 1529  ax-11 1530  ax-i12 1531  ax-bndl 1533  ax-4 1534  ax-17 1550  ax-i9 1554  ax-ial 1558  ax-i5r 1559  ax-13 2180  ax-14 2181  ax-ext 2189  ax-coll 4175  ax-sep 4178  ax-pow 4234  ax-pr 4269  ax-un 4498  ax-setind 4603  ax-cnex 8051  ax-resscn 8052  ax-1cn 8053  ax-1re 8054  ax-icn 8055  ax-addcl 8056  ax-addrcl 8057  ax-mulcl 8058  ax-addcom 8060  ax-addass 8062  ax-i2m1 8065  ax-0lt1 8066  ax-0id 8068  ax-rnegex 8069  ax-pre-ltirr 8072  ax-pre-ltadd 8076
This theorem depends on definitions:  df-bi 117  df-3an 983  df-tru 1376  df-fal 1379  df-nf 1485  df-sb 1787  df-eu 2058  df-mo 2059  df-clab 2194  df-cleq 2200  df-clel 2203  df-nfc 2339  df-ne 2379  df-nel 2474  df-ral 2491  df-rex 2492  df-reu 2493  df-rmo 2494  df-rab 2495  df-v 2778  df-sbc 3006  df-csb 3102  df-dif 3176  df-un 3178  df-in 3180  df-ss 3187  df-nul 3469  df-pw 3628  df-sn 3649  df-pr 3650  df-op 3652  df-uni 3865  df-int 3900  df-iun 3943  df-br 4060  df-opab 4122  df-mpt 4123  df-id 4358  df-xp 4699  df-rel 4700  df-cnv 4701  df-co 4702  df-dm 4703  df-rn 4704  df-res 4705  df-ima 4706  df-iota 5251  df-fun 5292  df-fn 5293  df-f 5294  df-f1 5295  df-fo 5296  df-f1o 5297  df-fv 5298  df-riota 5922  df-ov 5970  df-oprab 5971  df-mpo 5972  df-pnf 8144  df-mnf 8145  df-ltxr 8147  df-inn 9072  df-2 9130  df-ndx 12950  df-slot 12951  df-base 12953  df-sets 12954  df-iress 12955  df-plusg 13037  df-0g 13205  df-mgm 13303  df-sgrp 13349  df-mnd 13364  df-grp 13450  df-minusg 13451  df-subg 13621
This theorem is referenced by:  issubgrpd2  13641  issubg3  13643  issubg4m  13644  grpissubg  13645  subgintm  13649  nmzsubg  13661  ghmrn  13708  ghmpreima  13717  subrgugrp  14117  lsssubg  14254  lidlsubg  14363  cnsubglem  14456  mplsubgfi  14578
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