Theorem sylow2 19727

Description: Sylow's second theorem. See also sylow2b 19724 for the "hard" part of the proof. Any two Sylow 𝑃-subgroups are conjugate to one another, and hence the same size, namely 𝑃↑(𝑃 pCnt ∣ 𝑋 ∣ ) (see fislw 19726). This is part of Metamath 100 proof #72. (Contributed by Mario Carneiro, 18-Jan-2015.)

Hypotheses

Ref	Expression
sylow2.x	⊢ 𝑋 = (Base‘𝐺)
sylow2.f	⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ Fin)
sylow2.h	⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺))
sylow2.k	⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺))
sylow2.a	⊢ + = (+g‘𝐺)
sylow2.d	⊢ − = (-g‘𝐺)

Assertion

Ref	Expression
sylow2	⊢ (𝜑 → ∃𝑔 ∈ 𝑋 𝐻 = ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))

Distinct variable groups:   𝑥, −   𝑥,𝑔, +   𝑔,𝐺,𝑥   𝑔,𝐻,𝑥   𝑔,𝐾,𝑥   𝜑,𝑔   𝑔,𝑋,𝑥

Allowed substitution hints:   𝜑(𝑥)   𝑃(𝑥, 𝑔)   − (𝑔)

Proof of Theorem sylow2

Step	Hyp	Ref	Expression
1		sylow2.f	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ Fin)
2	1	adantr 486	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝑋 ∈ Fin)
3		sylow2.k	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺))
4		slwsubg 19711	. . . . . . 7 ⊢ (𝐾 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺) → 𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺))
5	3, 4	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺))
6		simprl 783	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝑔 ∈ 𝑋)
7		sylow2.x	. . . . . . 7 ⊢ 𝑋 = (Base‘𝐺)
8		sylow2.a	. . . . . . 7 ⊢ + = (+g‘𝐺)
9		sylow2.d	. . . . . . 7 ⊢ − = (-g‘𝐺)
10		eqid 2766	. . . . . . 7 ⊢ (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) = (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔))
11	7, 8, 9, 10	conjsubg 19351	. . . . . 6 ⊢ ((𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺) ∧ 𝑔 ∈ 𝑋) → ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ∈ (SubGrp‘𝐺))
12	5, 6, 11	syl2an2r 698	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ∈ (SubGrp‘𝐺))
13	7	subgss 19224	. . . . 5 ⊢ (ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ∈ (SubGrp‘𝐺) → ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ⊆ 𝑋)
14	12, 13	syl 18	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ⊆ 𝑋)
15	2, 14	ssfid 9239	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ∈ Fin)
16		simprr 785	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
17		sylow2.h	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺))
18	7, 1, 17	slwhash 19725	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
19	7, 1, 3	slwhash 19725	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐾) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
20	18, 19	eqtr4d 2804	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (♯‘𝐾))
21		slwsubg 19711	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐻 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺) → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
22	17, 21	syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
23	7	subgss 19224	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐻 ⊆ 𝑋)
24	22, 23	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ⊆ 𝑋)
25	1, 24	ssfid 9239	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ Fin)
26	7	subgss 19224	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐾 ⊆ 𝑋)
27	5, 26	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ⊆ 𝑋)
28	1, 27	ssfid 9239	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ Fin)
29		hashen 14403	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ Fin) → ((♯‘𝐻) = (♯‘𝐾) ↔ 𝐻 ≈ 𝐾))
30	25, 28, 29	syl2anc 596	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((♯‘𝐻) = (♯‘𝐾) ↔ 𝐻 ≈ 𝐾))
31	20, 30	mpbid 235	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ≈ 𝐾)
32	7, 8, 9, 10	conjsubgen 19352	. . . . 5 ⊢ ((𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺) ∧ 𝑔 ∈ 𝑋) → 𝐾 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
33	5, 6, 32	syl2an2r 698	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝐾 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
34		entr 9012	. . . 4 ⊢ ((𝐻 ≈ 𝐾 ∧ 𝐾 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔))) → 𝐻 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
35	31, 33, 34	syl2an2r 698	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝐻 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
36		fisseneq 9233	. . 3 ⊢ ((ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ∈ Fin ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ∧ 𝐻 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔))) → 𝐻 = ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
37	15, 16, 35, 36	syl3anc 1398	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝐻 = ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
38		eqid 2766	. . . . 5 ⊢ (𝐺 ↾s 𝐻) = (𝐺 ↾s 𝐻)
39	38	slwpgp 19714	. . . 4 ⊢ (𝐻 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺) → 𝑃 pGrp (𝐺 ↾s 𝐻))
40	17, 39	syl 18	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑃 pGrp (𝐺 ↾s 𝐻))
41	7, 1, 22, 5, 8, 40, 19, 9	sylow2b 19724	. 2 ⊢ (𝜑 → ∃𝑔 ∈ 𝑋 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
42	37, 41	reximddv 3184	1 ⊢ (𝜑 → ∃𝑔 ∈ 𝑋 𝐻 = ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   = wceq 1570   ∈ wcel 2146  ∃wrex 3092   ⊆ wss 3908   class class class wbr 5114   ↦ cmpt 5197  ran crn 5667  ‘cfv 6543  (class class class)co 7423   ≈ cen 8949  Fincfn 8952  ↑cexp 14117  ♯chash 14386   pCnt cpc 16921  Basecbs 17294   ↾_s cress 17315  +_gcplusg 17335  -_gcsg 19033  SubGrpcsubg 19217   pGrp cpgp 19627   pSyl cslw 19628

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 2148  ax-9 2156  ax-10 2179  ax-11 2195  ax-12 2216  ax-ext 2738  ax-rep 5243  ax-sep 5262  ax-nul 5274  ax-pow 5341  ax-pr 5409  ax-un 7745  ax-inf2 9620  ax-cnex 11174  ax-resscn 11175  ax-1cn 11176  ax-icn 11177  ax-addcl 11178  ax-addrcl 11179  ax-mulcl 11180  ax-mulrcl 11181  ax-mulcom 11182  ax-addass 11183  ax-mulass 11184  ax-distr 11185  ax-i2m1 11186  ax-1ne0 11187  ax-1rid 11188  ax-rnegex 11189  ax-rrecex 11190  ax-cnre 11191  ax-pre-lttri 11192  ax-pre-lttrn 11193  ax-pre-ltadd 11194  ax-pre-mulgt0 11195  ax-pre-sup 11196

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 2570  df-eu 2600  df-clab 2745  df-cleq 2758  df-clel 2841  df-nfc 2915  df-ne 2962  df-nel 3068  df-ral 3083  df-rex 3093  df-rmo 3372  df-reu 3373  df-rab 3420  df-v 3460  df-sbc 3748  df-csb 3857  df-dif 3911  df-un 3913  df-in 3915  df-ss 3925  df-pss 3928  df-nul 4290  df-if 4493  df-pw 4569  df-sn 4595  df-pr 4597  df-op 4601  df-uni 4878  df-int 4918  df-iun 4963  df-disj 5082  df-br 5115  df-opab 5179  df-mpt 5198  df-tr 5224  df-id 5561  df-eprel 5566  df-po 5574  df-so 5575  df-fr 5619  df-se 5620  df-we 5621  df-xp 5672  df-rel 5673  df-cnv 5674  df-co 5675  df-dm 5676  df-rn 5677  df-res 5678  df-ima 5679  df-pred 6309  df-ord 6370  df-on 6371  df-lim 6372  df-suc 6373  df-iota 6499  df-fun 6545  df-fn 6546  df-f 6547  df-f1 6548  df-fo 6549  df-f1o 6550  df-fv 6551  df-isom 6552  df-riota 7380  df-ov 7426  df-oprab 7427  df-mpo 7428  df-om 7872  df-1st 7995  df-2nd 7996  df-frecs 8287  df-wrecs 8318  df-recs 8367  df-rdg 8406  df-1o 8462  df-2o 8463  df-oadd 8466  df-omul 8467  df-er 8703  df-ec 8705  df-qs 8709  df-map 8835  df-en 8953  df-dom 8954  df-sdom 8955  df-fin 8956  df-sup 9412  df-inf 9413  df-oi 9482  df-dju 9906  df-card 9944  df-acn 9947  df-pnf 11263  df-mnf 11264  df-xr 11265  df-ltxr 11266  df-le 11267  df-sub 11461  df-neg 11462  df-div 11890  df-nn 12252  df-2 12321  df-3 12322  df-n0 12523  df-xnn0 12596  df-z 12610  df-uz 12881  df-q 12991  df-rp 13035  df-fz 13554  df-fzo 13702  df-fl 13845  df-mod 13923  df-seq 14058  df-exp 14118  df-fac 14330  df-bc 14359  df-hash 14387  df-cj 15176  df-re 15177  df-im 15178  df-sqrt 15312  df-abs 15313  df-clim 15565  df-sum 15764  df-dvds 16336  df-gcd 16578  df-prm 16755  df-pc 16922  df-sets 17249  df-slot 17267  df-ndx 17279  df-base 17295  df-ress 17316  df-plusg 17348  df-0g 17519  df-mgm 18723  df-sgrp 18806  df-mnd 18822  df-submnd 18873  df-grp 19034  df-minusg 19035  df-sbg 19036  df-mulg 19165  df-subg 19220  df-eqg 19222  df-ghm 19315  df-ga 19391  df-od 19629  df-pgp 19631  df-slw 19632

This theorem is used by:  sylow3lem3  19730  sylow3lem6  19733