Theorem finodsubmsubg 19504

Description: A submonoid whose elements have finite order is a subgroup. (Contributed by SN, 31-Jan-2025.)

Hypotheses

Ref	Expression
finodsubmsubg.o	⊢ 𝑂 = (od‘𝐺)
finodsubmsubg.g	⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ Grp)
finodsubmsubg.s	⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ (SubMnd‘𝐺))
finodsubmsubg.1	⊢ (𝜑 → ∀𝑎 ∈ 𝑆 (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ)

Assertion

Ref	Expression
finodsubmsubg	⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ (SubGrp‘𝐺))

Distinct variable groups:   𝑆,𝑎   𝐺,𝑎   𝜑,𝑎

Allowed substitution hint:   𝑂(𝑎)

Proof of Theorem finodsubmsubg

Step	Hyp	Ref	Expression
1		finodsubmsubg.s	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ (SubMnd‘𝐺))
2		finodsubmsubg.1	. . 3 ⊢ (𝜑 → ∀𝑎 ∈ 𝑆 (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ)
3		eqid 2730	. . . . . . . 8 ⊢ (Base‘𝐺) = (Base‘𝐺)
4		finodsubmsubg.o	. . . . . . . 8 ⊢ 𝑂 = (od‘𝐺)
5		eqid 2730	. . . . . . . 8 ⊢ (.g‘𝐺) = (.g‘𝐺)
6		eqid 2730	. . . . . . . 8 ⊢ (invg‘𝐺) = (invg‘𝐺)
7		finodsubmsubg.g	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ Grp)
8	7	adantr 480	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) → 𝐺 ∈ Grp)
9	3	submss 18743	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑆 ∈ (SubMnd‘𝐺) → 𝑆 ⊆ (Base‘𝐺))
10	1, 9	syl 17	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝑆 ⊆ (Base‘𝐺))
11	10	sselda 3949	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) → 𝑎 ∈ (Base‘𝐺))
12	3, 4, 5, 6, 8, 11	odm1inv 19490	. . . . . . 7 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) → (((𝑂‘𝑎) − 1)(.g‘𝐺)𝑎) = ((invg‘𝐺)‘𝑎))
13	12	adantr 480	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → (((𝑂‘𝑎) − 1)(.g‘𝐺)𝑎) = ((invg‘𝐺)‘𝑎))
14		eqid 2730	. . . . . . . 8 ⊢ (Base‘(𝐺 ↾s 𝑆)) = (Base‘(𝐺 ↾s 𝑆))
15		eqid 2730	. . . . . . . 8 ⊢ (.g‘(𝐺 ↾s 𝑆)) = (.g‘(𝐺 ↾s 𝑆))
16		eqid 2730	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐺 ↾s 𝑆) = (𝐺 ↾s 𝑆)
17	16	submmnd 18747	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑆 ∈ (SubMnd‘𝐺) → (𝐺 ↾s 𝑆) ∈ Mnd)
18	1, 17	syl 17	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝐺 ↾s 𝑆) ∈ Mnd)
19	18	ad2antrr 726	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → (𝐺 ↾s 𝑆) ∈ Mnd)
20		nnm1nn0 12490	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑂‘𝑎) ∈ ℕ → ((𝑂‘𝑎) − 1) ∈ ℕ0)
21	20	adantl 481	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → ((𝑂‘𝑎) − 1) ∈ ℕ0)
22		simplr 768	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → 𝑎 ∈ 𝑆)
23	16, 3	ressbas2 17215	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑆 ⊆ (Base‘𝐺) → 𝑆 = (Base‘(𝐺 ↾s 𝑆)))
24	10, 23	syl 17	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝑆 = (Base‘(𝐺 ↾s 𝑆)))
25	24	ad2antrr 726	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → 𝑆 = (Base‘(𝐺 ↾s 𝑆)))
26	22, 25	eleqtrd 2831	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → 𝑎 ∈ (Base‘(𝐺 ↾s 𝑆)))
27	14, 15, 19, 21, 26	mulgnn0cld 19034	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → (((𝑂‘𝑎) − 1)(.g‘(𝐺 ↾s 𝑆))𝑎) ∈ (Base‘(𝐺 ↾s 𝑆)))
28	1	ad2antrr 726	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → 𝑆 ∈ (SubMnd‘𝐺))
29	5, 16, 15	submmulg 19057	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑆 ∈ (SubMnd‘𝐺) ∧ ((𝑂‘𝑎) − 1) ∈ ℕ0 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) → (((𝑂‘𝑎) − 1)(.g‘𝐺)𝑎) = (((𝑂‘𝑎) − 1)(.g‘(𝐺 ↾s 𝑆))𝑎))
30	28, 21, 22, 29	syl3anc 1373	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → (((𝑂‘𝑎) − 1)(.g‘𝐺)𝑎) = (((𝑂‘𝑎) − 1)(.g‘(𝐺 ↾s 𝑆))𝑎))
31	27, 30, 25	3eltr4d 2844	. . . . . 6 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → (((𝑂‘𝑎) − 1)(.g‘𝐺)𝑎) ∈ 𝑆)
32	13, 31	eqeltrrd 2830	. . . . 5 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) ∧ (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ) → ((invg‘𝐺)‘𝑎) ∈ 𝑆)
33	32	ex 412	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝑆) → ((𝑂‘𝑎) ∈ ℕ → ((invg‘𝐺)‘𝑎) ∈ 𝑆))
34	33	ralimdva 3146	. . 3 ⊢ (𝜑 → (∀𝑎 ∈ 𝑆 (𝑂‘𝑎) ∈ ℕ → ∀𝑎 ∈ 𝑆 ((invg‘𝐺)‘𝑎) ∈ 𝑆))
35	2, 34	mpd 15	. 2 ⊢ (𝜑 → ∀𝑎 ∈ 𝑆 ((invg‘𝐺)‘𝑎) ∈ 𝑆)
36	6	issubg3 19083	. . 3 ⊢ (𝐺 ∈ Grp → (𝑆 ∈ (SubGrp‘𝐺) ↔ (𝑆 ∈ (SubMnd‘𝐺) ∧ ∀𝑎 ∈ 𝑆 ((invg‘𝐺)‘𝑎) ∈ 𝑆)))
37	7, 36	syl 17	. 2 ⊢ (𝜑 → (𝑆 ∈ (SubGrp‘𝐺) ↔ (𝑆 ∈ (SubMnd‘𝐺) ∧ ∀𝑎 ∈ 𝑆 ((invg‘𝐺)‘𝑎) ∈ 𝑆)))
38	1, 35, 37	mpbir2and 713	1 ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ (SubGrp‘𝐺))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 206   ∧ wa 395   = wceq 1540   ∈ wcel 2109  ∀wral 3045   ⊆ wss 3917  ‘cfv 6514  (class class class)co 7390  1c1 11076   − cmin 11412  ℕcn 12193  ℕ₀cn0 12449  Basecbs 17186   ↾_s cress 17207  Mndcmnd 18668  SubMndcsubmnd 18716  Grpcgrp 18872  inv_gcminusg 18873  ._gcmg 19006  SubGrpcsubg 19059  odcod 19461

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1795  ax-4 1809  ax-5 1910  ax-6 1967  ax-7 2008  ax-8 2111  ax-9 2119  ax-10 2142  ax-11 2158  ax-12 2178  ax-ext 2702  ax-sep 5254  ax-nul 5264  ax-pow 5323  ax-pr 5390  ax-un 7714  ax-cnex 11131  ax-resscn 11132  ax-1cn 11133  ax-icn 11134  ax-addcl 11135  ax-addrcl 11136  ax-mulcl 11137  ax-mulrcl 11138  ax-mulcom 11139  ax-addass 11140  ax-mulass 11141  ax-distr 11142  ax-i2m1 11143  ax-1ne0 11144  ax-1rid 11145  ax-rnegex 11146  ax-rrecex 11147  ax-cnre 11148  ax-pre-lttri 11149  ax-pre-lttrn 11150  ax-pre-ltadd 11151  ax-pre-mulgt0 11152

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2066  df-mo 2534  df-eu 2563  df-clab 2709  df-cleq 2722  df-clel 2804  df-nfc 2879  df-ne 2927  df-nel 3031  df-ral 3046  df-rex 3055  df-rmo 3356  df-reu 3357  df-rab 3409  df-v 3452  df-sbc 3757  df-csb 3866  df-dif 3920  df-un 3922  df-in 3924  df-ss 3934  df-pss 3937  df-nul 4300  df-if 4492  df-pw 4568  df-sn 4593  df-pr 4595  df-op 4599  df-uni 4875  df-iun 4960  df-br 5111  df-opab 5173  df-mpt 5192  df-tr 5218  df-id 5536  df-eprel 5541  df-po 5549  df-so 5550  df-fr 5594  df-we 5596  df-xp 5647  df-rel 5648  df-cnv 5649  df-co 5650  df-dm 5651  df-rn 5652  df-res 5653  df-ima 5654  df-pred 6277  df-ord 6338  df-on 6339  df-lim 6340  df-suc 6341  df-iota 6467  df-fun 6516  df-fn 6517  df-f 6518  df-f1 6519  df-fo 6520  df-f1o 6521  df-fv 6522  df-riota 7347  df-ov 7393  df-oprab 7394  df-mpo 7395  df-om 7846  df-1st 7971  df-2nd 7972  df-frecs 8263  df-wrecs 8294  df-recs 8343  df-rdg 8381  df-er 8674  df-en 8922  df-dom 8923  df-sdom 8924  df-sup 9400  df-inf 9401  df-pnf 11217  df-mnf 11218  df-xr 11219  df-ltxr 11220  df-le 11221  df-sub 11414  df-neg 11415  df-nn 12194  df-2 12256  df-n0 12450  df-z 12537  df-uz 12801  df-fz 13476  df-seq 13974  df-sets 17141  df-slot 17159  df-ndx 17171  df-base 17187  df-ress 17208  df-plusg 17240  df-0g 17411  df-mgm 18574  df-sgrp 18653  df-mnd 18669  df-submnd 18718  df-grp 18875  df-minusg 18876  df-sbg 18877  df-mulg 19007  df-subg 19062  df-od 19465

This theorem is referenced by:  0subgALT  19505  finsubmsubg  42505