Theorem sylow2 19759

Description: Sylow's second theorem. See also sylow2b 19756 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 19758). 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 19743	. . . . . . 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 2762	. . . . . . 7 ⊢ (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) = (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔))
11	7, 8, 9, 10	conjsubg 19383	. . . . . 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 19256	. . . . 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 9243	. . 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 19757	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
19	7, 1, 3	slwhash 19757	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐾) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
20	18, 19	eqtr4d 2800	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (♯‘𝐾))
21		slwsubg 19743	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐻 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺) → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
22	17, 21	syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
23	7	subgss 19256	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐻 ⊆ 𝑋)
24	22, 23	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ⊆ 𝑋)
25	1, 24	ssfid 9243	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ Fin)
26	7	subgss 19256	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐾 ⊆ 𝑋)
27	5, 26	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ⊆ 𝑋)
28	1, 27	ssfid 9243	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ Fin)
29		hashen 14415	. . . . . 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 19384	. . . . 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 9016	. . . 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 9237	. . 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 2762	. . . . 5 ⊢ (𝐺 ↾s 𝐻) = (𝐺 ↾s 𝐻)
39	38	slwpgp 19746	. . . 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 19756	. 2 ⊢ (𝜑 → ∃𝑔 ∈ 𝑋 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
42	37, 41	reximddv 3180	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 2145  ∃wrex 3088   ⊆ wss 3902   class class class wbr 5107   ↦ cmpt 5190  ran crn 5660  ‘cfv 6537  (class class class)co 7417   ≈ cen 8953  Fincfn 8956  ↑cexp 14129  ♯chash 14398   pCnt cpc 16934  Basecbs 17307   ↾_s cress 17328  +_gcplusg 17348  -_gcsg 19065  SubGrpcsubg 19249   pGrp cpgp 19659   pSyl cslw 19660

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 2215  ax-ext 2734  ax-rep 5236  ax-sep 5255  ax-nul 5267  ax-pow 5334  ax-pr 5402  ax-un 7740  ax-inf2 9624  ax-cnex 11184  ax-resscn 11185  ax-1cn 11186  ax-icn 11187  ax-addcl 11188  ax-addrcl 11189  ax-mulcl 11190  ax-mulrcl 11191  ax-mulcom 11192  ax-addass 11193  ax-mulass 11194  ax-distr 11195  ax-i2m1 11196  ax-1ne0 11197  ax-1rid 11198  ax-rnegex 11199  ax-rrecex 11200  ax-cnre 11201  ax-pre-lttri 11202  ax-pre-lttrn 11203  ax-pre-ltadd 11204  ax-pre-mulgt0 11205  ax-pre-sup 11206

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 2566  df-eu 2596  df-clab 2741  df-cleq 2754  df-clel 2837  df-nfc 2911  df-ne 2958  df-nel 3064  df-ral 3079  df-rex 3089  df-rmo 3367  df-reu 3368  df-rab 3415  df-v 3455  df-sbc 3743  df-csb 3851  df-dif 3905  df-un 3907  df-in 3909  df-ss 3919  df-pss 3922  df-nul 4283  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4588  df-pr 4590  df-op 4594  df-uni 4871  df-int 4911  df-iun 4956  df-disj 5075  df-br 5108  df-opab 5172  df-mpt 5191  df-tr 5217  df-id 5554  df-eprel 5559  df-po 5567  df-so 5568  df-fr 5612  df-se 5613  df-we 5614  df-xp 5665  df-rel 5666  df-cnv 5667  df-co 5668  df-dm 5669  df-rn 5670  df-res 5671  df-ima 5672  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 7374  df-ov 7420  df-oprab 7421  df-mpo 7422  df-om 7867  df-1st 7990  df-2nd 7991  df-frecs 8284  df-wrecs 8315  df-recs 8364  df-rdg 8403  df-1o 8459  df-2o 8460  df-oadd 8463  df-omul 8464  df-er 8700  df-ec 8702  df-qs 8706  df-map 8832  df-en 8957  df-dom 8958  df-sdom 8959  df-fin 8960  df-sup 9416  df-inf 9417  df-oi 9486  df-dju 9910  df-card 9948  df-acn 9951  df-pnf 11273  df-mnf 11274  df-xr 11275  df-ltxr 11276  df-le 11277  df-sub 11471  df-neg 11472  df-div 11900  df-nn 12262  df-2 12331  df-3 12332  df-n0 12533  df-xnn0 12606  df-z 12620  df-uz 12892  df-q 13002  df-rp 13047  df-fz 13566  df-fzo 13714  df-fl 13857  df-mod 13935  df-seq 14070  df-exp 14130  df-fac 14342  df-bc 14371  df-hash 14399  df-cj 15190  df-re 15191  df-im 15192  df-sqrt 15326  df-abs 15327  df-clim 15579  df-sum 15778  df-dvds 16349  df-gcd 16591  df-prm 16768  df-pc 16935  df-sets 17262  df-slot 17280  df-ndx 17292  df-base 17308  df-ress 17329  df-plusg 17361  df-0g 17532  df-mgm 18736  df-sgrp 18827  df-mnd 18843  df-submnd 18898  df-grp 19066  df-minusg 19067  df-sbg 19068  df-mulg 19197  df-subg 19252  df-eqg 19254  df-ghm 19347  df-ga 19423  df-od 19661  df-pgp 19663  df-slw 19664

This theorem is used by:  sylow3lem3  19762  sylow3lem6  19765