MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  sylow1lem5 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem sylow1lem5 19867
Description: Lemma for sylow1 19868. Using Lagrange's theorem and the orbit-stabilizer theorem, show that there is a subgroup with size exactly 𝑃↑𝑁. (Contributed by Mario Carneiro, 16-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}
sylow1lem5.l (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ≤ ((𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) − 𝑁))
Assertion
Ref Expression
sylow1lem5 (𝜑 → ∃ℎ ∈ (SubGrp‘𝐺)(♯‘ℎ) = (𝑃↑𝑁))
Distinct variable groups:   𝑔,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧,𝐵   𝑔,ℎ,𝐻,𝑥,𝑦   𝑆,𝑔,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑔,𝑁   ℎ,𝑠,𝑢,𝑧,𝑁,𝑥,𝑦   𝑔,𝑋,ℎ,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   + ,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑧, ∼   ⊕ ,𝑔,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑔,𝐺,ℎ,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑃,𝑔,ℎ,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝜑,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧
Allowed substitution hints:   𝜑(𝑔, ℎ, 𝑠)   𝐵(ℎ)   + (𝑔, ℎ)   ⊕ (ℎ, 𝑠)   ∼ (𝑥, 𝑦, 𝑢, 𝑔, ℎ, 𝑠)   𝑆(ℎ, 𝑠)   𝐻(𝑧, 𝑢, 𝑠)

Proof of Theorem sylow1lem5
StepHypRef Expression
1 sylow1.x . . . 4 𝑋 = (Base‘𝐺)
2 sylow1.g . . . 4 (𝜑 → 𝐺 ∈ Grp)
3 sylow1.f . . . 4 (𝜑 → 𝑋 ∈ Fin)
4 sylow1.p . . . 4 (𝜑 → 𝑃 ∈ ℙ)
5 sylow1.n . . . 4 (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0)
6 sylow1.d . . . 4 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝑋))
7 sylow1lem.a . . . 4 + = (+g‘𝐺)
8 sylow1lem.s . . . 4 𝑆 = {𝑠 ∈ 𝒫 𝑋 ∣ (♯‘𝑠) = (𝑃↑𝑁)}
9 sylow1lem.m . . . 4 ⊕ = (𝑥 ∈ 𝑋, 𝑦 ∈ 𝑆 ↦ ran (𝑧 ∈ 𝑦 ↦ (𝑥 + 𝑧)))
101, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9sylow1lem2 19864 . . 3 (𝜑 → ⊕ ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆))
11 sylow1lem4.b . . 3 (𝜑 → 𝐵 ∈ 𝑆)
12 sylow1lem4.h . . . 4 𝐻 = {𝑢 ∈ 𝑋 ∣ (𝑢 ⊕ 𝐵) = 𝐵}
131, 12gastacl 19574 . . 3 (( ⊕ ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) ∧ 𝐵 ∈ 𝑆) → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
1410, 11, 13syl2anc 596 . 2 (𝜑 → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
15 sylow1lem3.1 . . . 4 ∼ = {⟨𝑥, 𝑦⟩ ∣ ({𝑥, 𝑦} ⊆ 𝑆 ∧ ∃𝑔 ∈ 𝑋 (𝑔 ⊕ 𝑥) = 𝑦)}
161, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 15, 11, 12sylow1lem4 19866 . . 3 (𝜑 → (♯‘𝐻) ≤ (𝑃↑𝑁))
17 sylow1lem5.l . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ≤ ((𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) − 𝑁))
1815, 1gaorber 19573 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ( ⊕ ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) → ∼ Er 𝑆)
1910, 18syl 18 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝜑 → ∼ Er 𝑆)
20 erdm 8766 . . . . . . . . . . . . . . 15 ( ∼ Er 𝑆 → dom ∼ = 𝑆)
2119, 20syl 18 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → dom ∼ = 𝑆)
2211, 21eleqtrrd 2867 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → 𝐵 ∈ dom ∼ )
23 ecdmn0 8808 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐵 ∈ dom ∼ ↔ [𝐵] ∼ ≠ ∅)
2422, 23sylib 221 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → [𝐵] ∼ ≠ ∅)
25 pwfi 9348 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑋 ∈ Fin ↔ 𝒫 𝑋 ∈ Fin)
263, 25sylib 221 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝜑 → 𝒫 𝑋 ∈ Fin)
278ssrab3 4010 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑆 ⊆ 𝒫 𝑋
28 ssfi 9226 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝒫 𝑋 ∈ Fin ∧ 𝑆 ⊆ 𝒫 𝑋) → 𝑆 ∈ Fin)
2926, 27, 28sylancl 598 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → 𝑆 ∈ Fin)
3019ecss 8807 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → [𝐵] ∼ ⊆ 𝑆)
3129, 30ssfid 9298 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → [𝐵] ∼ ∈ Fin)
32 hashnncl 14551 . . . . . . . . . . . . 13 ([𝐵] ∼ ∈ Fin → ((♯‘[𝐵] ∼ ) ∈ ℕ ↔ [𝐵] ∼ ≠ ∅))
3331, 32syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → ((♯‘[𝐵] ∼ ) ∈ ℕ ↔ [𝐵] ∼ ≠ ∅))
3424, 33mpbird 260 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (♯‘[𝐵] ∼ ) ∈ ℕ)
354, 34pccld 17072 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ∈ ℕ0)
3635nn0red 12708 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ∈ ℝ)
375nn0red 12708 . . . . . . . . 9 (𝜑 → 𝑁 ∈ ℝ)
381grpbn0 19227 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐺 ∈ Grp → 𝑋 ≠ ∅)
392, 38syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → 𝑋 ≠ ∅)
40 hashnncl 14551 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑋 ∈ Fin → ((♯‘𝑋) ∈ ℕ ↔ 𝑋 ≠ ∅))
413, 40syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → ((♯‘𝑋) ∈ ℕ ↔ 𝑋 ≠ ∅))
4239, 41mpbird 260 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (♯‘𝑋) ∈ ℕ)
434, 42pccld 17072 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) ∈ ℕ0)
4443nn0red 12708 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) ∈ ℝ)
45 leaddsub 11832 . . . . . . . . 9 (((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ∈ ℝ ∧ 𝑁 ∈ ℝ ∧ (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) ∈ ℝ) → (((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + 𝑁) ≤ (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) ↔ (𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ≤ ((𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) − 𝑁)))
4636, 37, 44, 45syl3anc 1399 . . . . . . . 8 (𝜑 → (((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + 𝑁) ≤ (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) ↔ (𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ≤ ((𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) − 𝑁)))
4717, 46mpbird 260 . . . . . . 7 (𝜑 → ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + 𝑁) ≤ (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)))
48 eqid 2763 . . . . . . . . . . 11 (𝐺 ~QG 𝐻) = (𝐺 ~QG 𝐻)
491, 12, 48, 15orbsta2 19579 . . . . . . . . . 10 ((( ⊕ ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) ∧ 𝐵 ∈ 𝑆) ∧ 𝑋 ∈ Fin) → (♯‘𝑋) = ((♯‘[𝐵] ∼ ) · (♯‘𝐻)))
5010, 11, 3, 49syl21anc 851 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘𝑋) = ((♯‘[𝐵] ∼ ) · (♯‘𝐻)))
5150oveq2d 7467 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) = (𝑃 pCnt ((♯‘[𝐵] ∼ ) · (♯‘𝐻))))
5234nnzd 12759 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘[𝐵] ∼ ) ∈ ℤ)
5334nnne0d 12428 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘[𝐵] ∼ ) ≠ 0)
54 eqid 2763 . . . . . . . . . . . . . 14 (0g‘𝐺) = (0g‘𝐺)
5554subg0cl 19394 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) → (0g‘𝐺) ∈ 𝐻)
5614, 55syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → (0g‘𝐺) ∈ 𝐻)
5756ne0d 4291 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → 𝐻 ≠ ∅)
5812ssrab3 4010 . . . . . . . . . . . . 13 𝐻 ⊆ 𝑋
59 ssfi 9226 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑋 ∈ Fin ∧ 𝐻 ⊆ 𝑋) → 𝐻 ∈ Fin)
603, 58, 59sylancl 598 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → 𝐻 ∈ Fin)
61 hashnncl 14551 . . . . . . . . . . . 12 (𝐻 ∈ Fin → ((♯‘𝐻) ∈ ℕ ↔ 𝐻 ≠ ∅))
6260, 61syl 18 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → ((♯‘𝐻) ∈ ℕ ↔ 𝐻 ≠ ∅))
6357, 62mpbird 260 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (♯‘𝐻) ∈ ℕ)
6463nnzd 12759 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘𝐻) ∈ ℤ)
6563nnne0d 12428 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘𝐻) ≠ 0)
66 pcmul 17073 . . . . . . . . 9 ((𝑃 ∈ ℙ ∧ ((♯‘[𝐵] ∼ ) ∈ ℤ ∧ (♯‘[𝐵] ∼ ) ≠ 0) ∧ ((♯‘𝐻) ∈ ℤ ∧ (♯‘𝐻) ≠ 0)) → (𝑃 pCnt ((♯‘[𝐵] ∼ ) · (♯‘𝐻))) = ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + (𝑃 pCnt (♯‘𝐻))))
674, 52, 53, 64, 65, 66syl122anc 1407 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt ((♯‘[𝐵] ∼ ) · (♯‘𝐻))) = ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + (𝑃 pCnt (♯‘𝐻))))
6851, 67eqtrd 2798 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) = ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + (𝑃 pCnt (♯‘𝐻))))
6947, 68breqtrd 5137 . . . . . 6 (𝜑 → ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + 𝑁) ≤ ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + (𝑃 pCnt (♯‘𝐻))))
704, 63pccld 17072 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)) ∈ ℕ0)
7170nn0red 12708 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)) ∈ ℝ)
7237, 71, 36leadd2d 11951 . . . . . 6 (𝜑 → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)) ↔ ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + 𝑁) ≤ ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)))))
7369, 72mpbird 260 . . . . 5 (𝜑 → 𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)))
74 pcdvdsb 17091 . . . . . 6 ((𝑃 ∈ ℙ ∧ (♯‘𝐻) ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)) ↔ (𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝐻)))
754, 64, 5, 74syl3anc 1399 . . . . 5 (𝜑 → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)) ↔ (𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝐻)))
7673, 75mpbid 235 . . . 4 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝐻))
77 prmnn 16893 . . . . . . . 8 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
784, 77syl 18 . . . . . . 7 (𝜑 → 𝑃 ∈ ℕ)
7978, 5nnexpcld 14430 . . . . . 6 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∈ ℕ)
8079nnzd 12759 . . . . 5 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∈ ℤ)
81 dvdsle 16524 . . . . 5 (((𝑃↑𝑁) ∈ ℤ ∧ (♯‘𝐻) ∈ ℕ) → ((𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝐻) → (𝑃↑𝑁) ≤ (♯‘𝐻)))
8280, 63, 81syl2anc 596 . . . 4 (𝜑 → ((𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝐻) → (𝑃↑𝑁) ≤ (♯‘𝐻)))
8376, 82mpd 16 . . 3 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ≤ (♯‘𝐻))
84 hashcl 14541 . . . . . 6 (𝐻 ∈ Fin → (♯‘𝐻) ∈ ℕ0)
8560, 84syl 18 . . . . 5 (𝜑 → (♯‘𝐻) ∈ ℕ0)
8685nn0red 12708 . . . 4 (𝜑 → (♯‘𝐻) ∈ ℝ)
8779nnred 12390 . . . 4 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∈ ℝ)
8886, 87letri3d 11491 . . 3 (𝜑 → ((♯‘𝐻) = (𝑃↑𝑁) ↔ ((♯‘𝐻) ≤ (𝑃↑𝑁) ∧ (𝑃↑𝑁) ≤ (♯‘𝐻))))
8916, 83, 88mpbir2and 726 . 2 (𝜑 → (♯‘𝐻) = (𝑃↑𝑁))
90 fveqeq2 6925 . . 3 (ℎ = 𝐻 → ((♯‘ℎ) = (𝑃↑𝑁) ↔ (♯‘𝐻) = (𝑃↑𝑁)))
9190rspcev 3580 . 2 ((𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) ∧ (♯‘𝐻) = (𝑃↑𝑁)) → ∃ℎ ∈ (SubGrp‘𝐺)(♯‘ℎ) = (𝑃↑𝑁))
9214, 89, 91syl2anc 596 1 (𝜑 → ∃ℎ ∈ (SubGrp‘𝐺)(♯‘ℎ) = (𝑃↑𝑁))
Colors of variables:    wff setvar class
This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   = wceq 1570   ∈ wcel 2147   ≠ wne 2959  ∃wrex 3090  {crab 3416   ⊆ wss 3900  ∅c0 4281  𝒫 cpw 4560  {cpr 4590   class class class wbr 5108  {copab 5173   ↦ cmpt 5192  dom cdm 5658  ran crn 5659  ‘cfv 6566  (class class class)co 7451   ∈ cmpo 7453   Er wer 8752  [cec 8753  Fincfn 9011  ℝcr 11238  0cc0 11239   + caddc 11242   · cmul 11244   ≤ cle 11383   − cmin 11580  ℕcn 12375  ℕ0cn0 12646  ℤcz 12733  ↑cexp 14244  ♯chash 14515   ∥ cdvds 16466  ℙcprime 16890   pCnt cpc 17058  Basecbs 17431  +gcplusg 17472  0gc0g 17660  Grpcgrp 19194  SubGrpcsubg 19380   ~QG cqg 19382   GrpAct cga 19554
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 1945  ax-6 2002  ax-7 2043  ax-8 2149  ax-9 2157  ax-10 2180  ax-11 2197  ax-12 2216  ax-ext 2735  ax-rep 5238  ax-sep 5255  ax-nul 5266  ax-pow 5334  ax-pr 5398  ax-un 7783  ax-inf2 9679  ax-cnex 11295  ax-resscn 11296  ax-1cn 11297  ax-icn 11298  ax-addcl 11299  ax-addrcl 11300  ax-mulcl 11301  ax-mulrcl 11302  ax-mulcom 11303  ax-addass 11304  ax-mulass 11305  ax-distr 11306  ax-i2m1 11307  ax-1ne0 11308  ax-1rid 11309  ax-rnegex 11310  ax-rrecex 11311  ax-cnre 11312  ax-pre-lttri 11313  ax-pre-lttrn 11314  ax-pre-ltadd 11315  ax-pre-mulgt0 11316  ax-pre-sup 11317
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 2102  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2839  df-nfc 2913  df-ne 2960  df-nel 3066  df-ral 3081  df-rex 3091  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3456  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-ss 3901  df-pss 4017  df-dif 4050  df-in 4094  df-un 4154  df-nul 4282  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4589  df-pr 4591  df-op 4841  df-uni 4873  df-int 4913  df-iun 4958  df-disj 5076  df-br 5109  df-opab 5174  df-mpt 5193  df-tr 5219  df-id 5553  df-eprel 5558  df-po 5566  df-so 5567  df-fr 5611  df-se 5612  df-we 5613  df-xp 5664  df-rel 5665  df-cnv 5666  df-co 5667  df-dm 5668  df-rn 5669  df-res 5670  df-ima 5671  df-pred 6330  df-ord 6391  df-on 6392  df-lim 6393  df-suc 6394  df-iota 6520  df-fun 6568  df-fn 6569  df-f 6570  df-f1 6571  df-fo 6572  df-f1o 6573  df-fv 6574  df-isom 6575  df-riota 7408  df-ov 7454  df-oprab 7455  df-mpo 7456  df-om 7912  df-1st 8035  df-2nd 8036  df-frecs 8337  df-wrecs 8368  df-recs 8417  df-rdg 8456  df-1o 8514  df-2o 8515  df-oadd 8518  df-er 8755  df-ec 8757  df-qs 8761  df-map 8887  df-en 9012  df-dom 9013  df-sdom 9014  df-fin 9015  df-sup 9471  df-inf 9472  df-oi 9541  df-card 10057  df-pnf 11384  df-mnf 11385  df-xr 11386  df-ltxr 11387  df-le 11388  df-sub 11582  df-neg 11583  df-div 12014  df-nn 12376  df-2 12445  df-3 12446  df-n0 12647  df-xnn0 12720  df-z 12734  df-uz 13006  df-q 13116  df-rp 13161  df-fz 13680  df-fzo 13829  df-fl 13972  df-mod 14050  df-seq 14185  df-exp 14245  df-hash 14516  df-cj 15309  df-re 15310  df-im 15311  df-sqrt 15445  df-abs 15446  df-clim 15699  df-sum 15898  df-dvds 16467  df-gcd 16709  df-prm 16891  df-pc 17059  df-sets 17386  df-slot 17404  df-ndx 17416  df-base 17432  df-ress 17453  df-plusg 17486  df-0g 17662  df-mgm 18866  df-sgrp 18958  df-mnd 18974  df-grp 19197  df-minusg 19198  df-subg 19383  df-eqg 19385  df-ga 19555
This theorem is used by:  sylow1  19868
  Copyright terms: Public domain W3C validator