Theorem sylow1lem4 19666

Description: Lemma for sylow1 19668. The stabilizer subgroup of any element of 𝑆 is at most 𝑃↑𝑁 in size. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Jan-2015.)

Hypotheses

Ref	Expression
sylow1.x	⊢ 𝑋 = (Base‘𝐺)
sylow1.g	⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ Grp)
sylow1.f	⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ Fin)
sylow1.p	⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℙ)
sylow1.n	⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0)
sylow1.d	⊢ (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝑋))
sylow1lem.a	⊢ + = (+g‘𝐺)
sylow1lem.s	⊢ 𝑆 = {𝑠 ∈ 𝒫 𝑋 ∣ (♯‘𝑠) = (𝑃↑𝑁)}
sylow1lem.m	⊢ ⊕ = (𝑥 ∈ 𝑋, 𝑦 ∈ 𝑆 ↦ ran (𝑧 ∈ 𝑦 ↦ (𝑥 + 𝑧)))
sylow1lem3.1	⊢ ∼ = {⟨𝑥, 𝑦⟩ ∣ ({𝑥, 𝑦} ⊆ 𝑆 ∧ ∃𝑔 ∈ 𝑋 (𝑔 ⊕ 𝑥) = 𝑦)}
sylow1lem4.b	⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ 𝑆)
sylow1lem4.h	⊢ 𝐻 = {𝑢 ∈ 𝑋 ∣ (𝑢 ⊕ 𝐵) = 𝐵}

Assertion

Ref	Expression
sylow1lem4	⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) ≤ (𝑃↑𝑁))

Distinct variable groups:   𝑔,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧,𝐵   𝑔,𝐻,𝑥,𝑦   𝑆,𝑔,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑔,𝑁,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑔,𝑋,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   + ,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑧, ∼   ⊕ ,𝑔,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑔,𝐺,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑃,𝑔,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝜑,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧

Allowed substitution hints:   𝜑(𝑔,𝑠)   + (𝑔)   ⊕ (𝑠)   ∼ (𝑥,𝑦,𝑢,𝑔,𝑠)   𝑆(𝑠)   𝐻(𝑧,𝑢,𝑠)

Proof of Theorem sylow1lem4

Dummy variables 𝑎 𝑏 𝑐 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		sylow1lem4.b	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ 𝑆)
2		fveqeq2 6890	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑠 = 𝐵 → ((♯‘𝑠) = (𝑃↑𝑁) ↔ (♯‘𝐵) = (𝑃↑𝑁)))
3		sylow1lem.s	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 𝑆 = {𝑠 ∈ 𝒫 𝑋 ∣ (♯‘𝑠) = (𝑃↑𝑁)}
4	2, 3	elrab2 3654	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝐵 ∈ 𝑆 ↔ (𝐵 ∈ 𝒫 𝑋 ∧ (♯‘𝐵) = (𝑃↑𝑁)))
5	1, 4	sylib 221	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (𝐵 ∈ 𝒫 𝑋 ∧ (♯‘𝐵) = (𝑃↑𝑁)))
6	5	simprd 500	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐵) = (𝑃↑𝑁))
7		sylow1.p	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℙ)
8		prmnn 16727	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
9	7, 8	syl 18	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝑃 ∈ ℕ)
10		sylow1.n	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0)
11	9, 10	nnexpcld 14277	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∈ ℕ)
12	6, 11	eqeltrd 2863	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐵) ∈ ℕ)
13	12	nnne0d 12281	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐵) ≠ 0)
14		hasheq0 14395	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐵 ∈ 𝑆 → ((♯‘𝐵) = 0 ↔ 𝐵 = ∅))
15	14	necon3bid 3002	. . . . . . 7 ⊢ (𝐵 ∈ 𝑆 → ((♯‘𝐵) ≠ 0 ↔ 𝐵 ≠ ∅))
16	1, 15	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ((♯‘𝐵) ≠ 0 ↔ 𝐵 ≠ ∅))
17	13, 16	mpbid 235	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ≠ ∅)
18		n0 4307	. . . . 5 ⊢ (𝐵 ≠ ∅ ↔ ∃𝑎 𝑎 ∈ 𝐵)
19	17, 18	sylib 221	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ∃𝑎 𝑎 ∈ 𝐵)
20	1	adantr 485	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → 𝐵 ∈ 𝑆)
21		simplr 780	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → 𝑎 ∈ 𝐵)
22		oveq2 7418	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑧 = 𝑎 → (𝑏 + 𝑧) = (𝑏 + 𝑎))
23		eqid 2763	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)) = (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧))
24		ovex 7443	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑏 + 𝑎) ∈ V
25	22, 23, 24	fvmpt 6989	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑎 ∈ 𝐵 → ((𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧))‘𝑎) = (𝑏 + 𝑎))
26	21, 25	syl 18	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → ((𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧))‘𝑎) = (𝑏 + 𝑎))
27		ovex 7443	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑏 + 𝑧) ∈ V
28	27, 23	fnmpti 6678	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)) Fn 𝐵
29		fnfvelrn 7075	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)) Fn 𝐵 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → ((𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧))‘𝑎) ∈ ran (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)))
30	28, 21, 29	sylancr 598	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → ((𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧))‘𝑎) ∈ ran (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)))
31	26, 30	eqeltrrd 2864	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → (𝑏 + 𝑎) ∈ ran (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)))
32		sylow1lem4.h	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ 𝐻 = {𝑢 ∈ 𝑋 ∣ (𝑢 ⊕ 𝐵) = 𝐵}
33	32	ssrab3 4036	. . . . . . . . . . 11 ⊢ 𝐻 ⊆ 𝑋
34		simpr 489	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → 𝑏 ∈ 𝐻)
35	33, 34	sselid 3935	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → 𝑏 ∈ 𝑋)
36	1	ad2antrr 738	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → 𝐵 ∈ 𝑆)
37		mptexg 7219	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐵 ∈ 𝑆 → (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)) ∈ V)
38		rnexg 7895	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)) ∈ V → ran (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)) ∈ V)
39	36, 37, 38	3syl 19	. . . . . . . . . 10 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → ran (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)) ∈ V)
40		simpr 489	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑥 = 𝑏 ∧ 𝑦 = 𝐵) → 𝑦 = 𝐵)
41		simpl 487	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((𝑥 = 𝑏 ∧ 𝑦 = 𝐵) → 𝑥 = 𝑏)
42	41	oveq1d 7425	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑥 = 𝑏 ∧ 𝑦 = 𝐵) → (𝑥 + 𝑧) = (𝑏 + 𝑧))
43	40, 42	mpteq12dv 5198	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑥 = 𝑏 ∧ 𝑦 = 𝐵) → (𝑧 ∈ 𝑦 ↦ (𝑥 + 𝑧)) = (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)))
44	43	rneqd 5928	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑥 = 𝑏 ∧ 𝑦 = 𝐵) → ran (𝑧 ∈ 𝑦 ↦ (𝑥 + 𝑧)) = ran (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)))
45		sylow1lem.m	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ⊕ = (𝑥 ∈ 𝑋, 𝑦 ∈ 𝑆 ↦ ran (𝑧 ∈ 𝑦 ↦ (𝑥 + 𝑧)))
46	44, 45	ovmpoga 7564	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑏 ∈ 𝑋 ∧ 𝐵 ∈ 𝑆 ∧ ran (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)) ∈ V) → (𝑏 ⊕ 𝐵) = ran (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)))
47	35, 36, 39, 46	syl3anc 1398	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → (𝑏 ⊕ 𝐵) = ran (𝑧 ∈ 𝐵 ↦ (𝑏 + 𝑧)))
48	31, 47	eleqtrrd 2866	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → (𝑏 + 𝑎) ∈ (𝑏 ⊕ 𝐵))
49		oveq1 7417	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑢 = 𝑏 → (𝑢 ⊕ 𝐵) = (𝑏 ⊕ 𝐵))
50	49	eqeq1d 2765	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑢 = 𝑏 → ((𝑢 ⊕ 𝐵) = 𝐵 ↔ (𝑏 ⊕ 𝐵) = 𝐵))
51	50, 32	elrab2 3654	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑏 ∈ 𝐻 ↔ (𝑏 ∈ 𝑋 ∧ (𝑏 ⊕ 𝐵) = 𝐵))
52	51	simprbi 502	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑏 ∈ 𝐻 → (𝑏 ⊕ 𝐵) = 𝐵)
53	52	adantl 486	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → (𝑏 ⊕ 𝐵) = 𝐵)
54	48, 53	eleqtrd 2865	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ 𝑏 ∈ 𝐻) → (𝑏 + 𝑎) ∈ 𝐵)
55	54	ex 417	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → (𝑏 ∈ 𝐻 → (𝑏 + 𝑎) ∈ 𝐵))
56		sylow1.g	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ Grp)
57	56	ad2antrr 738	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ (𝑏 ∈ 𝐻 ∧ 𝑐 ∈ 𝐻)) → 𝐺 ∈ Grp)
58		simprl 782	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ (𝑏 ∈ 𝐻 ∧ 𝑐 ∈ 𝐻)) → 𝑏 ∈ 𝐻)
59	33, 58	sselid 3935	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ (𝑏 ∈ 𝐻 ∧ 𝑐 ∈ 𝐻)) → 𝑏 ∈ 𝑋)
60		simprr 784	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ (𝑏 ∈ 𝐻 ∧ 𝑐 ∈ 𝐻)) → 𝑐 ∈ 𝐻)
61	33, 60	sselid 3935	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ (𝑏 ∈ 𝐻 ∧ 𝑐 ∈ 𝐻)) → 𝑐 ∈ 𝑋)
62	5	simpld 499	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ 𝒫 𝑋)
63	62	elpwid 4571	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ⊆ 𝑋)
64	63	sselda 3937	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → 𝑎 ∈ 𝑋)
65	64	adantr 485	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ (𝑏 ∈ 𝐻 ∧ 𝑐 ∈ 𝐻)) → 𝑎 ∈ 𝑋)
66		sylow1.x	. . . . . . . . 9 ⊢ 𝑋 = (Base‘𝐺)
67		sylow1lem.a	. . . . . . . . 9 ⊢ + = (+g‘𝐺)
68	66, 67	grprcan 19035	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐺 ∈ Grp ∧ (𝑏 ∈ 𝑋 ∧ 𝑐 ∈ 𝑋 ∧ 𝑎 ∈ 𝑋)) → ((𝑏 + 𝑎) = (𝑐 + 𝑎) ↔ 𝑏 = 𝑐))
69	57, 59, 61, 65, 68	syl13anc 1399	. . . . . . 7 ⊢ (((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) ∧ (𝑏 ∈ 𝐻 ∧ 𝑐 ∈ 𝐻)) → ((𝑏 + 𝑎) = (𝑐 + 𝑎) ↔ 𝑏 = 𝑐))
70	69	ex 417	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → ((𝑏 ∈ 𝐻 ∧ 𝑐 ∈ 𝐻) → ((𝑏 + 𝑎) = (𝑐 + 𝑎) ↔ 𝑏 = 𝑐)))
71	55, 70	dom2d 8986	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → (𝐵 ∈ 𝑆 → 𝐻 ≼ 𝐵))
72	20, 71	mpd 16	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑎 ∈ 𝐵) → 𝐻 ≼ 𝐵)
73	19, 72	exlimddv 1965	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ≼ 𝐵)
74		sylow1.f	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ Fin)
75		ssfi 9153	. . . . 5 ⊢ ((𝑋 ∈ Fin ∧ 𝐻 ⊆ 𝑋) → 𝐻 ∈ Fin)
76	74, 33, 75	sylancl 597	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ Fin)
77	74, 63	ssfid 9225	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐵 ∈ Fin)
78		hashdom 14411	. . . 4 ⊢ ((𝐻 ∈ Fin ∧ 𝐵 ∈ Fin) → ((♯‘𝐻) ≤ (♯‘𝐵) ↔ 𝐻 ≼ 𝐵))
79	76, 77, 78	syl2anc 595	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((♯‘𝐻) ≤ (♯‘𝐵) ↔ 𝐻 ≼ 𝐵))
80	73, 79	mpbird 260	. 2 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) ≤ (♯‘𝐵))
81	80, 6	breqtrd 5137	1 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) ≤ (𝑃↑𝑁))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 400   = wceq 1570  ∃wex 1809   ∈ wcel 2143   ≠ wne 2958  ∃wrex 3089  {crab 3416  Vcvv 3455   ⊆ wss 3905  ∅c0 4286  𝒫 cpw 4562  {cpr 4591   class class class wbr 5109  {copab 5173   ↦ cmpt 5192  ran crn 5662   Fn wfn 6531  ‘cfv 6536  (class class class)co 7410   ∈ cmpo 7412   ≼ cdom 8937  Fincfn 8939  0cc0 11095   ≤ cle 11239  ℕcn 12228  ℕ₀cn0 12499  ↑cexp 14093  ♯chash 14362   ∥ cdvds 16305  ℙcprime 16724  Basecbs 17264  +_gcplusg 17305  Grpcgrp 18995

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1825  ax-4 1839  ax-5 1940  ax-6 1997  ax-7 2038  ax-8 2145  ax-9 2153  ax-10 2176  ax-11 2192  ax-12 2213  ax-ext 2735  ax-rep 5238  ax-sep 5257  ax-nul 5269  ax-pow 5336  ax-pr 5404  ax-un 7732  ax-cnex 11151  ax-resscn 11152  ax-1cn 11153  ax-icn 11154  ax-addcl 11155  ax-addrcl 11156  ax-mulcl 11157  ax-mulrcl 11158  ax-mulcom 11159  ax-addass 11160  ax-mulass 11161  ax-distr 11162  ax-i2m1 11163  ax-1ne0 11164  ax-1rid 11165  ax-rnegex 11166  ax-rrecex 11167  ax-cnre 11168  ax-pre-lttri 11169  ax-pre-lttrn 11170  ax-pre-ltadd 11171  ax-pre-mulgt0 11172

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1810  df-nf 1814  df-sb 2097  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2838  df-nfc 2912  df-ne 2959  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3457  df-sbc 3745  df-csb 3854  df-dif 3908  df-un 3910  df-in 3912  df-ss 3922  df-pss 3925  df-nul 4287  df-if 4488  df-pw 4564  df-sn 4590  df-pr 4592  df-op 4596  df-uni 4873  df-int 4913  df-iun 4958  df-br 5110  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-tr 5219  df-id 5556  df-eprel 5561  df-po 5569  df-so 5570  df-fr 5614  df-we 5616  df-xp 5667  df-rel 5668  df-cnv 5669  df-co 5670  df-dm 5671  df-rn 5672  df-res 5673  df-ima 5674  df-pred 6302  df-ord 6363  df-on 6364  df-lim 6365  df-suc 6366  df-iota 6492  df-fun 6538  df-fn 6539  df-f 6540  df-f1 6541  df-fo 6542  df-f1o 6543  df-fv 6544  df-riota 7367  df-ov 7413  df-oprab 7414  df-mpo 7415  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-oadd 8453  df-er 8690  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-card 9921  df-pnf 11240  df-mnf 11241  df-xr 11242  df-ltxr 11243  df-le 11244  df-sub 11438  df-neg 11439  df-nn 12229  df-n0 12500  df-xnn0 12573  df-z 12587  df-uz 12858  df-fz 13531  df-seq 14034  df-exp 14094  df-hash 14363  df-prm 16725  df-0g 17489  df-mgm 18693  df-sgrp 18772  df-mnd 18788  df-grp 18998

This theorem is referenced by:  sylow1lem5  19667