Theorem fincygsubgodexd 20208

Description: A finite cyclic group has subgroups of every possible order. (Contributed by Rohan Ridenour, 3-Aug-2023.)

Hypotheses

Ref	Expression
fincygsubgodexd.1	⊢ 𝐵 = (Base‘𝐺)
fincygsubgodexd.2	⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ CycGrp)
fincygsubgodexd.3	⊢ (𝜑 → 𝐶 ∥ (♯‘𝐵))
fincygsubgodexd.4	⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ Fin)
fincygsubgodexd.5	⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ℕ)

Assertion

Ref	Expression
fincygsubgodexd	⊢ (𝜑 → ∃𝑥 ∈ (SubGrp‘𝐺)(♯‘𝑥) = 𝐶)

Distinct variable groups:   𝜑,𝑥   𝑥,𝐵   𝑥,𝐶   𝑥,𝐺

Proof of Theorem fincygsubgodexd

Dummy variables 𝑦 𝑛 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		fincygsubgodexd.2	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ CycGrp)
2		fincygsubgodexd.1	. . . . 5 ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐺)
3		eqid 2765	. . . . 5 ⊢ (.g‘𝐺) = (.g‘𝐺)
4	2, 3	iscyg 19972	. . . 4 ⊢ (𝐺 ∈ CycGrp ↔ (𝐺 ∈ Grp ∧ ∃𝑦 ∈ 𝐵 ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵))
5	4	simprbi 503	. . 3 ⊢ (𝐺 ∈ CycGrp → ∃𝑦 ∈ 𝐵 ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)
6	1, 5	syl 18	. 2 ⊢ (𝜑 → ∃𝑦 ∈ 𝐵 ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)
7		eqid 2765	. . . 4 ⊢ (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦))) = (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦)))
8		cyggrp 19983	. . . . . 6 ⊢ (𝐺 ∈ CycGrp → 𝐺 ∈ Grp)
9	1, 8	syl 18	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ Grp)
10	9	adantr 486	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) → 𝐺 ∈ Grp)
11		simprl 783	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) → 𝑦 ∈ 𝐵)
12		fincygsubgodexd.3	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∥ (♯‘𝐵))
13		fincygsubgodexd.4	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ Fin)
14	2, 9, 13	hashfingrpnn 19062	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐵) ∈ ℕ)
15		fincygsubgodexd.5	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ℕ)
16		nndivdvds 16336	. . . . . . 7 ⊢ (((♯‘𝐵) ∈ ℕ ∧ 𝐶 ∈ ℕ) → (𝐶 ∥ (♯‘𝐵) ↔ ((♯‘𝐵) / 𝐶) ∈ ℕ))
17	14, 15, 16	syl2anc 596	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐶 ∥ (♯‘𝐵) ↔ ((♯‘𝐵) / 𝐶) ∈ ℕ))
18	12, 17	mpbid 235	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((♯‘𝐵) / 𝐶) ∈ ℕ)
19	18	adantr 486	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) → ((♯‘𝐵) / 𝐶) ∈ ℕ)
20	2, 3, 7, 10, 11, 19	fincygsubgd 20206	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) → ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦))) ∈ (SubGrp‘𝐺))
21		simpr 490	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) ∧ 𝑥 = ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦)))) → 𝑥 = ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦))))
22	21	fveq2d 6889	. . . 4 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) ∧ 𝑥 = ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦)))) → (♯‘𝑥) = (♯‘ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦)))))
23		eqid 2765	. . . . . 6 ⊢ ((♯‘𝐵) / ((♯‘𝐵) / 𝐶)) = ((♯‘𝐵) / ((♯‘𝐵) / 𝐶))
24		eqid 2765	. . . . . 6 ⊢ (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦))
25		simprr 785	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) → ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)
26	15	nnne0d 12297	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ≠ 0)
27		divconjdvds 16390	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐶 ∥ (♯‘𝐵) ∧ 𝐶 ≠ 0) → ((♯‘𝐵) / 𝐶) ∥ (♯‘𝐵))
28	12, 26, 27	syl2anc 596	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ((♯‘𝐵) / 𝐶) ∥ (♯‘𝐵))
29	28	adantr 486	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) → ((♯‘𝐵) / 𝐶) ∥ (♯‘𝐵))
30	13	adantr 486	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) → 𝐵 ∈ Fin)
31	2, 3, 23, 24, 7, 10, 11, 25, 29, 30, 19	fincygsubgodd 20207	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) → (♯‘ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦)))) = ((♯‘𝐵) / ((♯‘𝐵) / 𝐶)))
32	31	adantr 486	. . . 4 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) ∧ 𝑥 = ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦)))) → (♯‘ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦)))) = ((♯‘𝐵) / ((♯‘𝐵) / 𝐶)))
33	14	nncnd 12260	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐵) ∈ ℂ)
34	15	nncnd 12260	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐶 ∈ ℂ)
35	14	nnne0d 12297	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐵) ≠ 0)
36	33, 34, 35, 26	ddcand 12022	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((♯‘𝐵) / ((♯‘𝐵) / 𝐶)) = 𝐶)
37	36	ad2antrr 739	. . . 4 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) ∧ 𝑥 = ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦)))) → ((♯‘𝐵) / ((♯‘𝐵) / 𝐶)) = 𝐶)
38	22, 32, 37	3eqtrd 2804	. . 3 ⊢ (((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) ∧ 𝑥 = ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)(((♯‘𝐵) / 𝐶)(.g‘𝐺)𝑦)))) → (♯‘𝑥) = 𝐶)
39	20, 38	rspcedeq1vd 3590	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑦 ∈ 𝐵 ∧ ran (𝑛 ∈ ℤ ↦ (𝑛(.g‘𝐺)𝑦)) = 𝐵)) → ∃𝑥 ∈ (SubGrp‘𝐺)(♯‘𝑥) = 𝐶)
40	6, 39	rexlimddv 3174	1 ⊢ (𝜑 → ∃𝑥 ∈ (SubGrp‘𝐺)(♯‘𝑥) = 𝐶)

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   = wceq 1570   ∈ wcel 2146   ≠ wne 2960  ∃wrex 3091   class class class wbr 5111   ↦ cmpt 5194  ran crn 5664  ‘cfv 6540  (class class class)co 7416  Fincfn 8945  0cc0 11111   / cdiv 11882  ℕcn 12244  ℤcz 12602  ♯chash 14379   ∥ cdvds 16327  Basecbs 17286  Grpcgrp 19023  ._gcmg 19156  SubGrpcsubg 19209  CycGrpccyg 19970

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1943  ax-6 2000  ax-7 2041  ax-8 2148  ax-9 2156  ax-10 2179  ax-11 2195  ax-12 2216  ax-ext 2737  ax-rep 5240  ax-sep 5259  ax-nul 5271  ax-pow 5338  ax-pr 5406  ax-un 7738  ax-inf2 9613  ax-cnex 11167  ax-resscn 11168  ax-1cn 11169  ax-icn 11170  ax-addcl 11171  ax-addrcl 11172  ax-mulcl 11173  ax-mulrcl 11174  ax-mulcom 11175  ax-addass 11176  ax-mulass 11177  ax-distr 11178  ax-i2m1 11179  ax-1ne0 11180  ax-1rid 11181  ax-rnegex 11182  ax-rrecex 11183  ax-cnre 11184  ax-pre-lttri 11185  ax-pre-lttrn 11186  ax-pre-ltadd 11187  ax-pre-mulgt0 11188  ax-pre-sup 11189

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2100  df-mo 2569  df-eu 2599  df-clab 2744  df-cleq 2757  df-clel 2840  df-nfc 2914  df-ne 2961  df-nel 3067  df-ral 3082  df-rex 3092  df-rmo 3371  df-reu 3372  df-rab 3419  df-v 3459  df-sbc 3747  df-csb 3855  df-dif 3909  df-un 3911  df-in 3913  df-ss 3923  df-pss 3926  df-nul 4287  df-if 4490  df-pw 4566  df-sn 4592  df-pr 4594  df-op 4598  df-uni 4875  df-int 4915  df-iun 4960  df-br 5112  df-opab 5176  df-mpt 5195  df-tr 5221  df-id 5558  df-eprel 5563  df-po 5571  df-so 5572  df-fr 5616  df-se 5617  df-we 5618  df-xp 5669  df-rel 5670  df-cnv 5671  df-co 5672  df-dm 5673  df-rn 5674  df-res 5675  df-ima 5676  df-pred 6306  df-ord 6367  df-on 6368  df-lim 6369  df-suc 6370  df-iota 6496  df-fun 6542  df-fn 6543  df-f 6544  df-f1 6545  df-fo 6546  df-f1o 6547  df-fv 6548  df-isom 6549  df-riota 7373  df-ov 7419  df-oprab 7420  df-mpo 7421  df-om 7865  df-1st 7988  df-2nd 7989  df-frecs 8280  df-wrecs 8311  df-recs 8360  df-rdg 8399  df-1o 8455  df-oadd 8459  df-omul 8460  df-er 8696  df-map 8828  df-en 8946  df-dom 8947  df-sdom 8948  df-fin 8949  df-sup 9405  df-inf 9406  df-oi 9475  df-card 9937  df-acn 9940  df-pnf 11256  df-mnf 11257  df-xr 11258  df-ltxr 11259  df-le 11260  df-sub 11454  df-neg 11455  df-div 11883  df-nn 12245  df-2 12314  df-3 12315  df-n0 12516  df-z 12603  df-uz 12874  df-rp 13028  df-fz 13547  df-fl 13838  df-mod 13916  df-seq 14051  df-exp 14111  df-hash 14380  df-cj 15169  df-re 15170  df-im 15171  df-sqrt 15305  df-abs 15306  df-dvds 16328  df-gcd 16570  df-sets 17241  df-slot 17259  df-ndx 17271  df-base 17287  df-ress 17308  df-plusg 17340  df-0g 17511  df-mgm 18715  df-sgrp 18798  df-mnd 18814  df-grp 19026  df-minusg 19027  df-sbg 19028  df-mulg 19157  df-subg 19212  df-od 19621  df-cyg 19971

This theorem is used by:  ablsimpgprmd  20210