MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  frgpup3 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem frgpup3 18654
Description: Universal property of the free monoid by existential uniqueness. (Contributed by Mario Carneiro, 2-Oct-2015.) (Revised by Mario Carneiro, 28-Feb-2016.)
Hypotheses
Ref Expression
frgpup3.g 𝐺 = (freeGrp‘𝐼)
frgpup3.b 𝐵 = (Base‘𝐻)
frgpup3.u 𝑈 = (varFGrp𝐼)
Assertion
Ref Expression
frgpup3 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → ∃!𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻)(𝑚𝑈) = 𝐹)
Distinct variable groups:   𝐵,𝑚   𝑚,𝐹   𝑚,𝐺   𝑚,𝐻   𝑚,𝐼   𝑈,𝑚   𝑚,𝑉

Proof of Theorem frgpup3
Dummy variables 𝑔 𝑘 𝑦 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 frgpup3.b . . 3 𝐵 = (Base‘𝐻)
2 eqid 2772 . . 3 (invg𝐻) = (invg𝐻)
3 eqid 2772 . . 3 (𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) = (𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦))))
4 simp1 1116 . . 3 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → 𝐻 ∈ Grp)
5 simp2 1117 . . 3 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → 𝐼𝑉)
6 simp3 1118 . . 3 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → 𝐹:𝐼𝐵)
7 eqid 2772 . . 3 ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) = ( I ‘Word (𝐼 × 2o))
8 eqid 2772 . . 3 ( ~FG𝐼) = ( ~FG𝐼)
9 frgpup3.g . . 3 𝐺 = (freeGrp‘𝐼)
10 eqid 2772 . . 3 (Base‘𝐺) = (Base‘𝐺)
11 eqid 2772 . . 3 ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) = ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩)
121, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11frgpup1 18651 . 2 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻))
134adantr 473 . . . . 5 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ 𝑘𝐼) → 𝐻 ∈ Grp)
145adantr 473 . . . . 5 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ 𝑘𝐼) → 𝐼𝑉)
156adantr 473 . . . . 5 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ 𝑘𝐼) → 𝐹:𝐼𝐵)
16 frgpup3.u . . . . 5 𝑈 = (varFGrp𝐼)
17 simpr 477 . . . . 5 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ 𝑘𝐼) → 𝑘𝐼)
181, 2, 3, 13, 14, 15, 7, 8, 9, 10, 11, 16, 17frgpup2 18652 . . . 4 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ 𝑘𝐼) → (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩)‘(𝑈𝑘)) = (𝐹𝑘))
1918mpteq2dva 5016 . . 3 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → (𝑘𝐼 ↦ (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩)‘(𝑈𝑘))) = (𝑘𝐼 ↦ (𝐹𝑘)))
2010, 1ghmf 18123 . . . . 5 (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻) → ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩):(Base‘𝐺)⟶𝐵)
2112, 20syl 17 . . . 4 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩):(Base‘𝐺)⟶𝐵)
228, 16, 9, 10vrgpf 18644 . . . . 5 (𝐼𝑉𝑈:𝐼⟶(Base‘𝐺))
235, 22syl 17 . . . 4 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → 𝑈:𝐼⟶(Base‘𝐺))
24 fcompt 6712 . . . 4 ((ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩):(Base‘𝐺)⟶𝐵𝑈:𝐼⟶(Base‘𝐺)) → (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) ∘ 𝑈) = (𝑘𝐼 ↦ (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩)‘(𝑈𝑘))))
2521, 23, 24syl2anc 576 . . 3 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) ∘ 𝑈) = (𝑘𝐼 ↦ (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩)‘(𝑈𝑘))))
266feqmptd 6556 . . 3 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → 𝐹 = (𝑘𝐼 ↦ (𝐹𝑘)))
2719, 25, 263eqtr4d 2818 . 2 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) ∘ 𝑈) = 𝐹)
284adantr 473 . . . . 5 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ (𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻) ∧ (𝑚𝑈) = 𝐹)) → 𝐻 ∈ Grp)
295adantr 473 . . . . 5 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ (𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻) ∧ (𝑚𝑈) = 𝐹)) → 𝐼𝑉)
306adantr 473 . . . . 5 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ (𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻) ∧ (𝑚𝑈) = 𝐹)) → 𝐹:𝐼𝐵)
31 simprl 758 . . . . 5 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ (𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻) ∧ (𝑚𝑈) = 𝐹)) → 𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻))
32 simprr 760 . . . . 5 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ (𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻) ∧ (𝑚𝑈) = 𝐹)) → (𝑚𝑈) = 𝐹)
331, 2, 3, 28, 29, 30, 7, 8, 9, 10, 11, 16, 31, 32frgpup3lem 18653 . . . 4 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ (𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻) ∧ (𝑚𝑈) = 𝐹)) → 𝑚 = ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩))
3433expr 449 . . 3 (((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) ∧ 𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻)) → ((𝑚𝑈) = 𝐹𝑚 = ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩)))
3534ralrimiva 3126 . 2 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → ∀𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻)((𝑚𝑈) = 𝐹𝑚 = ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩)))
36 coeq1 5571 . . . 4 (𝑚 = ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) → (𝑚𝑈) = (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) ∘ 𝑈))
3736eqeq1d 2774 . . 3 (𝑚 = ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) → ((𝑚𝑈) = 𝐹 ↔ (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) ∘ 𝑈) = 𝐹))
3837eqreu 3628 . 2 ((ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻) ∧ (ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩) ∘ 𝑈) = 𝐹 ∧ ∀𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻)((𝑚𝑈) = 𝐹𝑚 = ran (𝑔 ∈ ( I ‘Word (𝐼 × 2o)) ↦ ⟨[𝑔]( ~FG𝐼), (𝐻 Σg ((𝑦𝐼, 𝑧 ∈ 2o ↦ if(𝑧 = ∅, (𝐹𝑦), ((invg𝐻)‘(𝐹𝑦)))) ∘ 𝑔))⟩))) → ∃!𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻)(𝑚𝑈) = 𝐹)
3912, 27, 35, 38syl3anc 1351 1 ((𝐻 ∈ Grp ∧ 𝐼𝑉𝐹:𝐼𝐵) → ∃!𝑚 ∈ (𝐺 GrpHom 𝐻)(𝑚𝑈) = 𝐹)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 387  w3a 1068   = wceq 1507  wcel 2048  wral 3082  ∃!wreu 3084  c0 4173  ifcif 4344  cop 4441  cmpt 5002   I cid 5304   × cxp 5398  ran crn 5401  ccom 5404  wf 6178  cfv 6182  (class class class)co 6970  cmpo 6972  2oc2o 7891  [cec 8079  Word cword 13662  Basecbs 16329   Σg cgsu 16560  Grpcgrp 17881  invgcminusg 17882   GrpHom cghm 18116   ~FG cefg 18580  freeGrpcfrgp 18581  varFGrpcvrgp 18582
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1758  ax-4 1772  ax-5 1869  ax-6 1928  ax-7 1964  ax-8 2050  ax-9 2057  ax-10 2077  ax-11 2091  ax-12 2104  ax-13 2299  ax-ext 2745  ax-rep 5043  ax-sep 5054  ax-nul 5061  ax-pow 5113  ax-pr 5180  ax-un 7273  ax-cnex 10383  ax-resscn 10384  ax-1cn 10385  ax-icn 10386  ax-addcl 10387  ax-addrcl 10388  ax-mulcl 10389  ax-mulrcl 10390  ax-mulcom 10391  ax-addass 10392  ax-mulass 10393  ax-distr 10394  ax-i2m1 10395  ax-1ne0 10396  ax-1rid 10397  ax-rnegex 10398  ax-rrecex 10399  ax-cnre 10400  ax-pre-lttri 10401  ax-pre-lttrn 10402  ax-pre-ltadd 10403  ax-pre-mulgt0 10404
This theorem depends on definitions:  df-bi 199  df-an 388  df-or 834  df-3or 1069  df-3an 1070  df-tru 1510  df-ex 1743  df-nf 1747  df-sb 2014  df-mo 2544  df-eu 2580  df-clab 2754  df-cleq 2765  df-clel 2840  df-nfc 2912  df-ne 2962  df-nel 3068  df-ral 3087  df-rex 3088  df-reu 3089  df-rmo 3090  df-rab 3091  df-v 3411  df-sbc 3678  df-csb 3783  df-dif 3828  df-un 3830  df-in 3832  df-ss 3839  df-pss 3841  df-nul 4174  df-if 4345  df-pw 4418  df-sn 4436  df-pr 4438  df-tp 4440  df-op 4442  df-ot 4444  df-uni 4707  df-int 4744  df-iun 4788  df-iin 4789  df-br 4924  df-opab 4986  df-mpt 5003  df-tr 5025  df-id 5305  df-eprel 5310  df-po 5319  df-so 5320  df-fr 5359  df-we 5361  df-xp 5406  df-rel 5407  df-cnv 5408  df-co 5409  df-dm 5410  df-rn 5411  df-res 5412  df-ima 5413  df-pred 5980  df-ord 6026  df-on 6027  df-lim 6028  df-suc 6029  df-iota 6146  df-fun 6184  df-fn 6185  df-f 6186  df-f1 6187  df-fo 6188  df-f1o 6189  df-fv 6190  df-riota 6931  df-ov 6973  df-oprab 6974  df-mpo 6975  df-om 7391  df-1st 7494  df-2nd 7495  df-wrecs 7743  df-recs 7805  df-rdg 7843  df-1o 7897  df-2o 7898  df-oadd 7901  df-er 8081  df-ec 8083  df-qs 8087  df-map 8200  df-en 8299  df-dom 8300  df-sdom 8301  df-fin 8302  df-sup 8693  df-inf 8694  df-card 9154  df-pnf 10468  df-mnf 10469  df-xr 10470  df-ltxr 10471  df-le 10472  df-sub 10664  df-neg 10665  df-nn 11432  df-2 11496  df-3 11497  df-4 11498  df-5 11499  df-6 11500  df-7 11501  df-8 11502  df-9 11503  df-n0 11701  df-xnn0 11773  df-z 11787  df-dec 11905  df-uz 12052  df-fz 12702  df-fzo 12843  df-seq 13178  df-hash 13499  df-word 13663  df-lsw 13716  df-concat 13724  df-s1 13749  df-substr 13794  df-pfx 13843  df-splice 13950  df-reverse 13968  df-s2 14062  df-struct 16331  df-ndx 16332  df-slot 16333  df-base 16335  df-sets 16336  df-ress 16337  df-plusg 16424  df-mulr 16425  df-sca 16427  df-vsca 16428  df-ip 16429  df-tset 16430  df-ple 16431  df-ds 16433  df-0g 16561  df-gsum 16562  df-imas 16627  df-qus 16628  df-mgm 17700  df-sgrp 17742  df-mnd 17753  df-mhm 17793  df-submnd 17794  df-frmd 17845  df-vrmd 17846  df-grp 17884  df-minusg 17885  df-ghm 18117  df-efg 18583  df-frgp 18584  df-vrgp 18585
This theorem is referenced by:  0frgp  18655  frgpcyg  20412
  Copyright terms: Public domain W3C validator