Theorem sylow2 19687

Description: Sylow's second theorem. See also sylow2b 19684 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 19686). 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 485	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝑋 ∈ Fin)
3		sylow2.k	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺))
4		slwsubg 19671	. . . . . . 7 ⊢ (𝐾 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺) → 𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺))
5	3, 4	syl 18	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺))
6		simprl 782	. . . . . 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 2765	. . . . . . 7 ⊢ (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) = (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔))
11	7, 8, 9, 10	conjsubg 19311	. . . . . 6 ⊢ ((𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺) ∧ 𝑔 ∈ 𝑋) → ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ∈ (SubGrp‘𝐺))
12	5, 6, 11	syl2an2r 697	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ∈ (SubGrp‘𝐺))
13	7	subgss 19184	. . . . 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 9217	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)) ∈ Fin)
16		simprr 784	. . 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 19685	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
19	7, 1, 3	slwhash 19685	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐾) = (𝑃↑(𝑃 pCnt (♯‘𝑋))))
20	18, 19	eqtr4d 2803	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (♯‘𝐻) = (♯‘𝐾))
21		slwsubg 19671	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐻 ∈ (𝑃 pSyl 𝐺) → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
22	17, 21	syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
23	7	subgss 19184	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐻 ⊆ 𝑋)
24	22, 23	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ⊆ 𝑋)
25	1, 24	ssfid 9217	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ∈ Fin)
26	7	subgss 19184	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺) → 𝐾 ⊆ 𝑋)
27	5, 26	syl 18	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ⊆ 𝑋)
28	1, 27	ssfid 9217	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐾 ∈ Fin)
29		hashen 14374	. . . . . 6 ⊢ ((𝐻 ∈ Fin ∧ 𝐾 ∈ Fin) → ((♯‘𝐻) = (♯‘𝐾) ↔ 𝐻 ≈ 𝐾))
30	25, 28, 29	syl2anc 595	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → ((♯‘𝐻) = (♯‘𝐾) ↔ 𝐻 ≈ 𝐾))
31	20, 30	mpbid 235	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐻 ≈ 𝐾)
32	7, 8, 9, 10	conjsubgen 19312	. . . . 5 ⊢ ((𝐾 ∈ (SubGrp‘𝐺) ∧ 𝑔 ∈ 𝑋) → 𝐾 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
33	5, 6, 32	syl2an2r 697	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝐾 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
34		entr 8991	. . . 4 ⊢ ((𝐻 ≈ 𝐾 ∧ 𝐾 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔))) → 𝐻 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
35	31, 33, 34	syl2an2r 697	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝐻 ≈ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
36		fisseneq 9211	. . 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 1394	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ (𝑔 ∈ 𝑋 ∧ 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))) → 𝐻 = ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
38		eqid 2765	. . . . 5 ⊢ (𝐺 ↾s 𝐻) = (𝐺 ↾s 𝐻)
39	38	slwpgp 19674	. . . 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 19684	. 2 ⊢ (𝜑 → ∃𝑔 ∈ 𝑋 𝐻 ⊆ ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))
42	37, 41	reximddv 3181	1 ⊢ (𝜑 → ∃𝑔 ∈ 𝑋 𝐻 = ran (𝑥 ∈ 𝐾 ↦ ((𝑔 + 𝑥) − 𝑔)))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 400   = wceq 1563   ∈ wcel 2145  ∃wrex 3089   ⊆ wss 3907   class class class wbr 5105   ↦ cmpt 5186  ran crn 5653  ‘cfv 6525  (class class class)co 7400   ≈ cen 8928  Fincfn 8931  ↑cexp 14088  ♯chash 14357   pCnt cpc 16886  Basecbs 17259   ↾_s cress 17280  +_gcplusg 17300  -_gcsg 18992  SubGrpcsubg 19177   pGrp cpgp 19587   pSyl cslw 19588

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1818  ax-4 1832  ax-5 1933  ax-6 1990  ax-7 2031  ax-8 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2215  ax-ext 2737  ax-rep 5232  ax-sep 5251  ax-nul 5261  ax-pow 5327  ax-pr 5395  ax-un 7722  ax-inf2 9598  ax-cnex 11144  ax-resscn 11145  ax-1cn 11146  ax-icn 11147  ax-addcl 11148  ax-addrcl 11149  ax-mulcl 11150  ax-mulrcl 11151  ax-mulcom 11152  ax-addass 11153  ax-mulass 11154  ax-distr 11155  ax-i2m1 11156  ax-1ne0 11157  ax-1rid 11158  ax-rnegex 11159  ax-rrecex 11160  ax-cnre 11161  ax-pre-lttri 11162  ax-pre-lttrn 11163  ax-pre-ltadd 11164  ax-pre-mulgt0 11165  ax-pre-sup 11166

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1102  df-3an 1103  df-tru 1566  df-fal 1576  df-ex 1803  df-nf 1807  df-sb 2094  df-mo 2569  df-eu 2599  df-clab 2744  df-cleq 2757  df-clel 2840  df-nfc 2914  df-ne 2961  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3370  df-reu 3371  df-rab 3418  df-v 3459  df-sbc 3748  df-csb 3856  df-dif 3910  df-un 3912  df-in 3914  df-ss 3924  df-pss 3927  df-nul 4289  df-if 4484  df-pw 4560  df-sn 4586  df-pr 4588  df-op 4592  df-uni 4869  df-int 4909  df-iun 4954  df-disj 5073  df-br 5106  df-opab 5168  df-mpt 5187  df-tr 5213  df-id 5547  df-eprel 5552  df-po 5560  df-so 5561  df-fr 5605  df-se 5606  df-we 5607  df-xp 5658  df-rel 5659  df-cnv 5660  df-co 5661  df-dm 5662  df-rn 5663  df-res 5664  df-ima 5665  df-pred 6292  df-ord 6353  df-on 6354  df-lim 6355  df-suc 6356  df-iota 6481  df-fun 6527  df-fn 6528  df-f 6529  df-f1 6530  df-fo 6531  df-f1o 6532  df-fv 6533  df-isom 6534  df-riota 7357  df-ov 7403  df-oprab 7404  df-mpo 7405  df-om 7851  df-1st 7974  df-2nd 7975  df-frecs 8266  df-wrecs 8297  df-recs 8346  df-rdg 8385  df-1o 8441  df-2o 8442  df-oadd 8445  df-omul 8446  df-er 8682  df-ec 8684  df-qs 8688  df-map 8814  df-en 8932  df-dom 8933  df-sdom 8934  df-fin 8935  df-sup 9390  df-inf 9391  df-oi 9460  df-dju 9875  df-card 9913  df-acn 9916  df-pnf 11233  df-mnf 11234  df-xr 11235  df-ltxr 11236  df-le 11237  df-sub 11431  df-neg 11432  df-div 11860  df-nn 12225  df-2 12294  df-3 12295  df-n0 12496  df-xnn0 12569  df-z 12583  df-uz 12854  df-q 12964  df-rp 13008  df-fz 13527  df-fzo 13674  df-fl 13816  df-mod 13894  df-seq 14029  df-exp 14089  df-fac 14301  df-bc 14330  df-hash 14358  df-cj 15140  df-re 15141  df-im 15142  df-sqrt 15276  df-abs 15277  df-clim 15529  df-sum 15728  df-dvds 16301  df-gcd 16543  df-prm 16720  df-pc 16887  df-sets 17214  df-slot 17232  df-ndx 17244  df-base 17260  df-ress 17281  df-plusg 17313  df-0g 17484  df-mgm 18688  df-sgrp 18767  df-mnd 18783  df-submnd 18832  df-grp 18993  df-minusg 18994  df-sbg 18995  df-mulg 19125  df-subg 19180  df-eqg 19182  df-ghm 19275  df-ga 19351  df-od 19589  df-pgp 19591  df-slw 19592

This theorem is referenced by:  sylow3lem3  19690  sylow3lem6  19693