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

Theorem sylow1lem5 19809
Description: Lemma for sylow1 19810. 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 19806 . . 3 (𝜑 → ⊕ ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆))
11 sylow1lem4.b . . 3 (𝜑 → 𝐵 ∈ 𝑆)
12 sylow1lem4.h . . . 4 𝐻 = {𝑢 ∈ 𝑋 ∣ (𝑢 ⊕ 𝐵) = 𝐵}
131, 12gastacl 19516 . . 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 19808 . . 3 (𝜑 → (♯‘𝐻) ≤ (𝑃↑𝑁))
17 sylow1lem5.l . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ≤ ((𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) − 𝑁))
1815, 1gaorber 19515 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ( ⊕ ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) → ∼ Er 𝑆)
1910, 18syl 18 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝜑 → ∼ Er 𝑆)
20 erdm 8721 . . . . . . . . . . . . . . 15 ( ∼ Er 𝑆 → dom ∼ = 𝑆)
2119, 20syl 18 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → dom ∼ = 𝑆)
2211, 21eleqtrrd 2864 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → 𝐵 ∈ dom ∼ )
23 ecdmn0 8763 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐵 ∈ dom ∼ ↔ [𝐵] ∼ ≠ ∅)
2422, 23sylib 221 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → [𝐵] ∼ ≠ ∅)
25 pwfi 9303 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑋 ∈ Fin ↔ 𝒫 𝑋 ∈ Fin)
263, 25sylib 221 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝜑 → 𝒫 𝑋 ∈ Fin)
278ssrab3 4030 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑆 ⊆ 𝒫 𝑋
28 ssfi 9181 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝒫 𝑋 ∈ Fin ∧ 𝑆 ⊆ 𝒫 𝑋) → 𝑆 ∈ Fin)
2926, 27, 28sylancl 598 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → 𝑆 ∈ Fin)
3019ecss 8762 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → [𝐵] ∼ ⊆ 𝑆)
3129, 30ssfid 9253 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → [𝐵] ∼ ∈ Fin)
32 hashnncl 14503 . . . . . . . . . . . . 13 ([𝐵] ∼ ∈ Fin → ((♯‘[𝐵] ∼ ) ∈ ℕ ↔ [𝐵] ∼ ≠ ∅))
3331, 32syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → ((♯‘[𝐵] ∼ ) ∈ ℕ ↔ [𝐵] ∼ ≠ ∅))
3424, 33mpbird 260 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (♯‘[𝐵] ∼ ) ∈ ℕ)
354, 34pccld 17021 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ∈ ℕ0)
3635nn0red 12661 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) ∈ ℝ)
375nn0red 12661 . . . . . . . . 9 (𝜑 → 𝑁 ∈ ℝ)
381grpbn0 19170 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐺 ∈ Grp → 𝑋 ≠ ∅)
392, 38syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → 𝑋 ≠ ∅)
40 hashnncl 14503 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑋 ∈ Fin → ((♯‘𝑋) ∈ ℕ ↔ 𝑋 ≠ ∅))
413, 40syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → ((♯‘𝑋) ∈ ℕ ↔ 𝑋 ≠ ∅))
4239, 41mpbird 260 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (♯‘𝑋) ∈ ℕ)
434, 42pccld 17021 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) ∈ ℕ0)
4443nn0red 12661 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) ∈ ℝ)
45 leaddsub 11785 . . . . . . . . 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 1398 . . . . . . . 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 2761 . . . . . . . . . . 11 (𝐺 ~QG 𝐻) = (𝐺 ~QG 𝐻)
491, 12, 48, 15orbsta2 19521 . . . . . . . . . 10 ((( ⊕ ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) ∧ 𝐵 ∈ 𝑆) ∧ 𝑋 ∈ Fin) → (♯‘𝑋) = ((♯‘[𝐵] ∼ ) · (♯‘𝐻)))
5010, 11, 3, 49syl21anc 851 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘𝑋) = ((♯‘[𝐵] ∼ ) · (♯‘𝐻)))
5150oveq2d 7434 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) = (𝑃 pCnt ((♯‘[𝐵] ∼ ) · (♯‘𝐻))))
5234nnzd 12712 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘[𝐵] ∼ ) ∈ ℤ)
5334nnne0d 12381 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘[𝐵] ∼ ) ≠ 0)
54 eqid 2761 . . . . . . . . . . . . . 14 (0g‘𝐺) = (0g‘𝐺)
5554subg0cl 19337 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) → (0g‘𝐺) ∈ 𝐻)
5614, 55syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → (0g‘𝐺) ∈ 𝐻)
5756ne0d 4288 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → 𝐻 ≠ ∅)
5812ssrab3 4030 . . . . . . . . . . . . 13 𝐻 ⊆ 𝑋
59 ssfi 9181 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑋 ∈ Fin ∧ 𝐻 ⊆ 𝑋) → 𝐻 ∈ Fin)
603, 58, 59sylancl 598 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → 𝐻 ∈ Fin)
61 hashnncl 14503 . . . . . . . . . . . 12 (𝐻 ∈ Fin → ((♯‘𝐻) ∈ ℕ ↔ 𝐻 ≠ ∅))
6260, 61syl 18 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → ((♯‘𝐻) ∈ ℕ ↔ 𝐻 ≠ ∅))
6357, 62mpbird 260 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (♯‘𝐻) ∈ ℕ)
6463nnzd 12712 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘𝐻) ∈ ℤ)
6563nnne0d 12381 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (♯‘𝐻) ≠ 0)
66 pcmul 17022 . . . . . . . . 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 1406 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt ((♯‘[𝐵] ∼ ) · (♯‘𝐻))) = ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + (𝑃 pCnt (♯‘𝐻))))
6851, 67eqtrd 2796 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝑋)) = ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + (𝑃 pCnt (♯‘𝐻))))
6947, 68breqtrd 5131 . . . . . 6 (𝜑 → ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + 𝑁) ≤ ((𝑃 pCnt (♯‘[𝐵] ∼ )) + (𝑃 pCnt (♯‘𝐻))))
704, 63pccld 17021 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)) ∈ ℕ0)
7170nn0red 12661 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)) ∈ ℝ)
7237, 71, 36leadd2d 11904 . . . . . 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 17040 . . . . . 6 ((𝑃 ∈ ℙ ∧ (♯‘𝐻) ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)) ↔ (𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝐻)))
754, 64, 5, 74syl3anc 1398 . . . . 5 (𝜑 → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (♯‘𝐻)) ↔ (𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝐻)))
7673, 75mpbid 235 . . . 4 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∥ (♯‘𝐻))
77 prmnn 16842 . . . . . . . 8 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
784, 77syl 18 . . . . . . 7 (𝜑 → 𝑃 ∈ ℕ)
7978, 5nnexpcld 14382 . . . . . 6 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∈ ℕ)
8079nnzd 12712 . . . . 5 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∈ ℤ)
81 dvdsle 16473 . . . . 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 14493 . . . . . 6 (𝐻 ∈ Fin → (♯‘𝐻) ∈ ℕ0)
8560, 84syl 18 . . . . 5 (𝜑 → (♯‘𝐻) ∈ ℕ0)
8685nn0red 12661 . . . 4 (𝜑 → (♯‘𝐻) ∈ ℝ)
8779nnred 12343 . . . 4 (𝜑 → (𝑃↑𝑁) ∈ ℝ)
8886, 87letri3d 11445 . . 3 (𝜑 → ((♯‘𝐻) = (𝑃↑𝑁) ↔ ((♯‘𝐻) ≤ (𝑃↑𝑁) ∧ (𝑃↑𝑁) ≤ (♯‘𝐻))))
8916, 83, 88mpbir2and 726 . 2 (𝜑 → (♯‘𝐻) = (𝑃↑𝑁))
90 fveqeq2 6892 . . 3 (ℎ = 𝐻 → ((♯‘ℎ) = (𝑃↑𝑁) ↔ (♯‘𝐻) = (𝑃↑𝑁)))
9190rspcev 3577 . 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 2145   ≠ wne 2956  ∃wrex 3087  {crab 3413   ⊆ wss 3899  ∅c0 4279  𝒫 cpw 4557  {cpr 4586   class class class wbr 5103  {copab 5167   ↦ cmpt 5186  dom cdm 5651  ran crn 5652  ‘cfv 6537  (class class class)co 7418   ∈ cmpo 7420   Er wer 8707  [cec 8708  Fincfn 8966  ℝcr 11192  0cc0 11193   + caddc 11196   · cmul 11198   ≤ cle 11337   − cmin 11534  ℕcn 12328  ℕ0cn0 12599  ℤcz 12686  ↑cexp 14197  ♯chash 14467   ∥ cdvds 16415  ℙcprime 16839   pCnt cpc 17007  Basecbs 17380  +gcplusg 17421  0gc0g 17603  Grpcgrp 19137  SubGrpcsubg 19323   ~QG cqg 19325   GrpAct cga 19496
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 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2213  ax-ext 2733  ax-rep 5232  ax-sep 5249  ax-nul 5260  ax-pow 5327  ax-pr 5391  ax-un 7749  ax-inf2 9635  ax-cnex 11249  ax-resscn 11250  ax-1cn 11251  ax-icn 11252  ax-addcl 11253  ax-addrcl 11254  ax-mulcl 11255  ax-mulrcl 11256  ax-mulcom 11257  ax-addass 11258  ax-mulass 11259  ax-distr 11260  ax-i2m1 11261  ax-1ne0 11262  ax-1rid 11263  ax-rnegex 11264  ax-rrecex 11265  ax-cnre 11266  ax-pre-lttri 11267  ax-pre-lttrn 11268  ax-pre-ltadd 11269  ax-pre-mulgt0 11270  ax-pre-sup 11271
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 2565  df-eu 2595  df-clab 2740  df-cleq 2753  df-clel 2836  df-nfc 2910  df-ne 2957  df-nel 3063  df-ral 3078  df-rex 3088  df-rmo 3366  df-reu 3367  df-rab 3414  df-v 3453  df-sbc 3740  df-csb 3848  df-dif 3902  df-un 3904  df-in 3906  df-ss 3916  df-pss 3919  df-nul 4280  df-if 4483  df-pw 4559  df-sn 4585  df-pr 4587  df-op 4591  df-uni 4868  df-int 4908  df-iun 4953  df-disj 5071  df-br 5104  df-opab 5168  df-mpt 5187  df-tr 5213  df-id 5546  df-eprel 5551  df-po 5559  df-so 5560  df-fr 5604  df-se 5605  df-we 5606  df-xp 5657  df-rel 5658  df-cnv 5659  df-co 5660  df-dm 5661  df-rn 5662  df-res 5663  df-ima 5664  df-pred 6303  df-ord 6364  df-on 6365  df-lim 6366  df-suc 6367  df-iota 6493  df-fun 6539  df-fn 6540  df-f 6541  df-f1 6542  df-fo 6543  df-f1o 6544  df-fv 6545  df-isom 6546  df-riota 7375  df-ov 7421  df-oprab 7422  df-mpo 7423  df-om 7876  df-1st 7999  df-2nd 8000  df-frecs 8292  df-wrecs 8323  df-recs 8372  df-rdg 8411  df-1o 8469  df-2o 8470  df-oadd 8473  df-er 8710  df-ec 8712  df-qs 8716  df-map 8842  df-en 8967  df-dom 8968  df-sdom 8969  df-fin 8970  df-sup 9427  df-inf 9428  df-oi 9497  df-card 10013  df-pnf 11338  df-mnf 11339  df-xr 11340  df-ltxr 11341  df-le 11342  df-sub 11536  df-neg 11537  df-div 11967  df-nn 12329  df-2 12398  df-3 12399  df-n0 12600  df-xnn0 12673  df-z 12687  df-uz 12959  df-q 13069  df-rp 13114  df-fz 13633  df-fzo 13782  df-fl 13925  df-mod 14003  df-seq 14138  df-exp 14198  df-hash 14468  df-cj 15259  df-re 15260  df-im 15261  df-sqrt 15395  df-abs 15396  df-clim 15648  df-sum 15847  df-dvds 16416  df-gcd 16658  df-prm 16840  df-pc 17008  df-sets 17335  df-slot 17353  df-ndx 17365  df-base 17381  df-ress 17402  df-plusg 17434  df-0g 17605  df-mgm 18809  df-sgrp 18901  df-mnd 18917  df-grp 19140  df-minusg 19141  df-subg 19326  df-eqg 19328  df-ga 19497
This theorem is used by:  sylow1  19810
  Copyright terms: Public domain W3C validator