Theorem sylow2 19845

Description: Sylow's second theorem. See also sylow2b 19842 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 19844). 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 19829	. . . . . . 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 2760	. . . . . . 7 ⊢ (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) = (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔))
11	7, 8, 9, 10	conjsubg 19469	. . . . . 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 19342	. . . . 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 9263	. . 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 19843	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
19	7, 1, 3	slwhash 19843	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐾) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
20	18, 19	eqtr4d 2798	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (♯‘𝐾))
21		slwsubg 19829	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐻 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺) → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
22	17, 21	syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
23	7	subgss 19342	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐻 ⊆ 𝑋)
24	22, 23	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ⊆ 𝑋)
25	1, 24	ssfid 9263	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ Fin)
26	7	subgss 19342	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐾 ⊆ 𝑋)
27	5, 26	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ⊆ 𝑋)
28	1, 27	ssfid 9263	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ Fin)
29		hashen 14494	. . . . . 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 19470	. . . . 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 9036	. . . 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 9257	. . 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 2760	. . . . 5 ⊢ (𝐺 ↾s 𝐻) = (𝐺 ↾s 𝐻)
39	38	slwpgp 19832	. . . 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 19842	. 2 ⊢ (𝜑 → ∃𝑔 ∈ 𝑋 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
42	37, 41	reximddv 3178	1 ⊢ (𝜑 → ∃𝑔 ∈ 𝑋 𝐻 = ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   = wceq 1569   ∈ wcel 2144  ∃wrex 3086   ⊆ wss 3895   class class class wbr 5102   ↦ cmpt 5185  ran crn 5651  ‘cfv 6538  (class class class)co 7420   ≈ cen 8973  Fincfn 8976  ↑cexp 14207  ♯chash 14477   pCnt cpc 17019  Basecbs 17392   ↾_s cress 17413  +_gcplusg 17433  -_gcsg 19151  SubGrpcsubg 19335   pGrp cpgp 19745   pSyl cslw 19746

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-rep 5231  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5326  ax-pr 5390  ax-un 7751  ax-inf2 9645  ax-cnex 11259  ax-resscn 11260  ax-1cn 11261  ax-icn 11262  ax-addcl 11263  ax-addrcl 11264  ax-mulcl 11265  ax-mulrcl 11266  ax-mulcom 11267  ax-addass 11268  ax-mulass 11269  ax-distr 11270  ax-i2m1 11271  ax-1ne0 11272  ax-1rid 11273  ax-rnegex 11274  ax-rrecex 11275  ax-cnre 11276  ax-pre-lttri 11277  ax-pre-lttrn 11278  ax-pre-ltadd 11279  ax-pre-mulgt0 11280  ax-pre-sup 11281

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3365  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3739  df-csb 3847  df-ss 3896  df-pss 4014  df-dif 4047  df-in 4091  df-un 4151  df-nul 4279  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4585  df-pr 4587  df-op 4835  df-uni 4867  df-int 4907  df-iun 4952  df-disj 5070  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-tr 5212  df-id 5545  df-eprel 5550  df-po 5558  df-so 5559  df-fr 5603  df-se 5604  df-we 5605  df-xp 5656  df-rel 5657  df-cnv 5658  df-co 5659  df-dm 5660  df-rn 5661  df-res 5662  df-ima 5663  df-pred 6304  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6494  df-fun 6540  df-fn 6541  df-f 6542  df-f1 6543  df-fo 6544  df-f1o 6545  df-fv 6546  df-isom 6547  df-riota 7377  df-ov 7423  df-oprab 7424  df-mpo 7425  df-om 7878  df-1st 8001  df-2nd 8002  df-frecs 8302  df-wrecs 8333  df-recs 8382  df-rdg 8421  df-1o 8479  df-2o 8480  df-oadd 8483  df-omul 8484  df-er 8720  df-ec 8722  df-qs 8726  df-map 8852  df-en 8977  df-dom 8978  df-sdom 8979  df-fin 8980  df-sup 9437  df-inf 9438  df-oi 9507  df-dju 9985  df-card 10023  df-acn 10026  df-pnf 11348  df-mnf 11349  df-xr 11350  df-ltxr 11351  df-le 11352  df-sub 11546  df-neg 11547  df-div 11977  df-nn 12339  df-2 12408  df-3 12409  df-n0 12610  df-xnn0 12683  df-z 12697  df-uz 12969  df-q 13079  df-rp 13124  df-fz 13643  df-fzo 13792  df-fl 13935  df-mod 14013  df-seq 14148  df-exp 14208  df-fac 14421  df-bc 14450  df-hash 14478  df-cj 15271  df-re 15272  df-im 15273  df-sqrt 15407  df-abs 15408  df-clim 15660  df-sum 15859  df-dvds 16428  df-gcd 16670  df-prm 16852  df-pc 17020  df-sets 17347  df-slot 17365  df-ndx 17377  df-base 17393  df-ress 17414  df-plusg 17446  df-0g 17617  df-mgm 18821  df-sgrp 18913  df-mnd 18929  df-submnd 18984  df-grp 19152  df-minusg 19153  df-sbg 19154  df-mulg 19283  df-subg 19338  df-eqg 19340  df-ghm 19433  df-ga 19509  df-od 19747  df-pgp 19749  df-slw 19750

This theorem is used by:  sylow3lem3  19848  sylow3lem6  19851