Theorem sylow2 19820

Description: Sylow's second theorem. See also sylow2b 19817 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 19819). 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 19804	. . . . . . 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 2761	. . . . . . 7 ⊢ (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) = (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔))
11	7, 8, 9, 10	conjsubg 19444	. . . . . 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 19317	. . . . 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 9244	. . 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 19818	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
19	7, 1, 3	slwhash 19818	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐾) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
20	18, 19	eqtr4d 2799	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (♯‘𝐾))
21		slwsubg 19804	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐻 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺) → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
22	17, 21	syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
23	7	subgss 19317	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐻 ⊆ 𝑋)
24	22, 23	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ⊆ 𝑋)
25	1, 24	ssfid 9244	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ Fin)
26	7	subgss 19317	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐾 ⊆ 𝑋)
27	5, 26	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ⊆ 𝑋)
28	1, 27	ssfid 9244	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ Fin)
29		hashen 14471	. . . . . 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 19445	. . . . 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 9017	. . . 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 9238	. . 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 2761	. . . . 5 ⊢ (𝐺 ↾s 𝐻) = (𝐺 ↾s 𝐻)
39	38	slwpgp 19807	. . . 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 19817	. 2 ⊢ (𝜑 → ∃𝑔 ∈ 𝑋 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
42	37, 41	reximddv 3179	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 3087   ⊆ wss 3899   class class class wbr 5103   ↦ cmpt 5186  ran crn 5652  ‘cfv 6531  (class class class)co 7412   ≈ cen 8954  Fincfn 8957  ↑cexp 14184  ♯chash 14454   pCnt cpc 16994  Basecbs 17367   ↾_s cress 17388  +_gcplusg 17408  -_gcsg 19126  SubGrpcsubg 19310   pGrp cpgp 19720   pSyl cslw 19721

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 7740  ax-inf2 9626  ax-cnex 11237  ax-resscn 11238  ax-1cn 11239  ax-icn 11240  ax-addcl 11241  ax-addrcl 11242  ax-mulcl 11243  ax-mulrcl 11244  ax-mulcom 11245  ax-addass 11246  ax-mulass 11247  ax-distr 11248  ax-i2m1 11249  ax-1ne0 11250  ax-1rid 11251  ax-rnegex 11252  ax-rrecex 11253  ax-cnre 11254  ax-pre-lttri 11255  ax-pre-lttrn 11256  ax-pre-ltadd 11257  ax-pre-mulgt0 11258  ax-pre-sup 11259

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 6297  df-ord 6358  df-on 6359  df-lim 6360  df-suc 6361  df-iota 6487  df-fun 6533  df-fn 6534  df-f 6535  df-f1 6536  df-fo 6537  df-f1o 6538  df-fv 6539  df-isom 6540  df-riota 7369  df-ov 7415  df-oprab 7416  df-mpo 7417  df-om 7867  df-1st 7990  df-2nd 7991  df-frecs 8283  df-wrecs 8314  df-recs 8363  df-rdg 8402  df-1o 8460  df-2o 8461  df-oadd 8464  df-omul 8465  df-er 8701  df-ec 8703  df-qs 8707  df-map 8833  df-en 8958  df-dom 8959  df-sdom 8960  df-fin 8961  df-sup 9418  df-inf 9419  df-oi 9488  df-dju 9963  df-card 10001  df-acn 10004  df-pnf 11326  df-mnf 11327  df-xr 11328  df-ltxr 11329  df-le 11330  df-sub 11524  df-neg 11525  df-div 11955  df-nn 12317  df-2 12386  df-3 12387  df-n0 12588  df-xnn0 12661  df-z 12675  df-uz 12947  df-q 13057  df-rp 13102  df-fz 13621  df-fzo 13769  df-fl 13912  df-mod 13990  df-seq 14125  df-exp 14185  df-fac 14398  df-bc 14427  df-hash 14455  df-cj 15246  df-re 15247  df-im 15248  df-sqrt 15382  df-abs 15383  df-clim 15635  df-sum 15834  df-dvds 16403  df-gcd 16645  df-prm 16827  df-pc 16995  df-sets 17322  df-slot 17340  df-ndx 17352  df-base 17368  df-ress 17389  df-plusg 17421  df-0g 17592  df-mgm 18796  df-sgrp 18888  df-mnd 18904  df-submnd 18959  df-grp 19127  df-minusg 19128  df-sbg 19129  df-mulg 19258  df-subg 19313  df-eqg 19315  df-ghm 19408  df-ga 19484  df-od 19722  df-pgp 19724  df-slw 19725

This theorem is used by:  sylow3lem3  19823  sylow3lem6  19826