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Theorem cldsubg

Description: A subgroup of finite index is closed iff it is open. (Contributed by Mario Carneiro, 20-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses subgntr.h ⊢ J = TopOpen ⁡ G
cldsubg.1 ⊢ R = G ~ QG S
cldsubg.2 ⊢ X = Base G
Assertion cldsubg ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin → S ∈ Clsd ⁡ J ↔ S ∈ J

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 subgntr.h ⊢ J = TopOpen ⁡ G
2 cldsubg.1 ⊢ R = G ~ QG S
3 cldsubg.2 ⊢ X = Base G
4 simpl1 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → G ∈ TopGrp
5 1 3 tgptopon ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ TopOn ⁡ X
6 4 5 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → J ∈ TopOn ⁡ X
7 toponuni ⊢ J ∈ TopOn ⁡ X → X = ⋃ J
8 6 7 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X = ⋃ J
9 8 difeq1d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X ∖ ⋃ X / R ∖ S = ⋃ J ∖ ⋃ X / R ∖ S
10 simpl2 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → S ∈ SubGrp ⁡ G
11 unisng ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → ⋃ S = S
12 10 11 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ S = S
13 12 uneq2d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ∪ ⋃ S = ⋃ X / R ∖ S ∪ S
14 uniun ⊢ ⋃ X / R ∖ S ∪ S = ⋃ X / R ∖ S ∪ ⋃ S
15 undif1 ⊢ X / R ∖ S ∪ S = X / R ∪ S
16 eqid ⊢ 0 G = 0 G
17 3 2 16 eqgid ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → 0 G R = S
18 10 17 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → 0 G R = S
19 2 ovexi ⊢ R ∈ V
20 tgpgrp ⊢ G ∈ TopGrp → G ∈ Grp
21 4 20 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → G ∈ Grp
22 3 16 grpidcl ⊢ G ∈ Grp → 0 G ∈ X
23 21 22 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → 0 G ∈ X
24 ecelqsw ⊢ R ∈ V ∧ 0 G ∈ X → 0 G R ∈ X / R
25 19 23 24 sylancr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → 0 G R ∈ X / R
26 18 25 eqeltrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → S ∈ X / R
27 26 snssd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → S ⊆ X / R
28 ssequn2 ⊢ S ⊆ X / R ↔ X / R ∪ S = X / R
29 27 28 sylib ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X / R ∪ S = X / R
30 15 29 eqtrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X / R ∖ S ∪ S = X / R
31 30 unieqd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ∪ S = ⋃ X / R
32 3 2 eqger ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → R Er X
33 10 32 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → R Er X
34 19 a1i ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → R ∈ V
35 33 34 uniqs2 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R = X
36 31 35 eqtrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ∪ S = X
37 14 36 eqtr3id ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ∪ ⋃ S = X
38 13 37 eqtr3d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ∪ S = X
39 difss ⊢ X / R ∖ S ⊆ X / R
40 39 unissi ⊢ ⋃ X / R ∖ S ⊆ ⋃ X / R
41 40 35 sseqtrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ⊆ X
42 df-ne ⊢ x ≠ S ↔ ¬ x = S
43 33 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ X / R → R Er X
44 simpr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ X / R → x ∈ X / R
45 26 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ X / R → S ∈ X / R
46 43 44 45 qsdisj ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ X / R → x = S ∨ x ∩ S = ∅
47 46 ord ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ X / R → ¬ x = S → x ∩ S = ∅
48 disj2 ⊢ x ∩ S = ∅ ↔ x ⊆ V ∖ S
49 47 48 imbitrdi ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ X / R → ¬ x = S → x ⊆ V ∖ S
50 42 49 biimtrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ X / R → x ≠ S → x ⊆ V ∖ S
51 50 expimpd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → x ∈ X / R ∧ x ≠ S → x ⊆ V ∖ S
52 eldifsn ⊢ x ∈ X / R ∖ S ↔ x ∈ X / R ∧ x ≠ S
53 velpw ⊢ x ∈ 𝒫 V ∖ S ↔ x ⊆ V ∖ S
54 51 52 53 3imtr4g ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → x ∈ X / R ∖ S → x ∈ 𝒫 V ∖ S
55 54 ssrdv ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X / R ∖ S ⊆ 𝒫 V ∖ S
56 sspwuni ⊢ X / R ∖ S ⊆ 𝒫 V ∖ S ↔ ⋃ X / R ∖ S ⊆ V ∖ S
57 55 56 sylib ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ⊆ V ∖ S
58 disj2 ⊢ ⋃ X / R ∖ S ∩ S = ∅ ↔ ⋃ X / R ∖ S ⊆ V ∖ S
59 57 58 sylibr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ∩ S = ∅
60 uneqdifeq ⊢ ⋃ X / R ∖ S ⊆ X ∧ ⋃ X / R ∖ S ∩ S = ∅ → ⋃ X / R ∖ S ∪ S = X ↔ X ∖ ⋃ X / R ∖ S = S
61 41 59 60 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ∪ S = X ↔ X ∖ ⋃ X / R ∖ S = S
62 38 61 mpbid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X ∖ ⋃ X / R ∖ S = S
63 9 62 eqtr3d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ J ∖ ⋃ X / R ∖ S = S
64 topontop ⊢ J ∈ TopOn ⁡ X → J ∈ Top
65 6 64 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → J ∈ Top
66 simpl3 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X / R ∈ Fin
67 diffi ⊢ X / R ∈ Fin → X / R ∖ S ∈ Fin
68 66 67 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X / R ∖ S ∈ Fin
69 vex ⊢ x ∈ V
70 69 elqs ⊢ x ∈ X / R ↔ ∃ y ∈ X x = y R
71 simpll2 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → S ∈ SubGrp ⁡ G
72 subgrcl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → G ∈ Grp
73 71 72 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → G ∈ Grp
74 3 subgss ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ⊆ X
75 10 74 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → S ⊆ X
76 75 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → S ⊆ X
77 simpr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → y ∈ X
78 eqid ⊢ + G = + G
79 3 2 78 eqglact ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ X ∧ y ∈ X → y R = z ∈ X ⟼ y + G z S
80 73 76 77 79 syl3anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → y R = z ∈ X ⟼ y + G z S
81 simplr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → S ∈ Clsd ⁡ J
82 eqid ⊢ z ∈ X ⟼ y + G z = z ∈ X ⟼ y + G z
83 82 3 78 1 tgplacthmeo ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X → z ∈ X ⟼ y + G z ∈ J Homeo J
84 4 83 sylan ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → z ∈ X ⟼ y + G z ∈ J Homeo J
85 75 8 sseqtrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → S ⊆ ⋃ J
86 85 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → S ⊆ ⋃ J
87 eqid ⊢ ⋃ J = ⋃ J
88 87 hmeocld ⊢ z ∈ X ⟼ y + G z ∈ J Homeo J ∧ S ⊆ ⋃ J → S ∈ Clsd ⁡ J ↔ z ∈ X ⟼ y + G z S ∈ Clsd ⁡ J
89 84 86 88 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → S ∈ Clsd ⁡ J ↔ z ∈ X ⟼ y + G z S ∈ Clsd ⁡ J
90 81 89 mpbid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → z ∈ X ⟼ y + G z S ∈ Clsd ⁡ J
91 80 90 eqeltrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → y R ∈ Clsd ⁡ J
92 eleq1 ⊢ x = y R → x ∈ Clsd ⁡ J ↔ y R ∈ Clsd ⁡ J
93 91 92 syl5ibrcom ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J ∧ y ∈ X → x = y R → x ∈ Clsd ⁡ J
94 93 rexlimdva ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ∃ y ∈ X x = y R → x ∈ Clsd ⁡ J
95 70 94 biimtrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → x ∈ X / R → x ∈ Clsd ⁡ J
96 95 ssrdv ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X / R ⊆ Clsd ⁡ J
97 96 ssdifssd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → X / R ∖ S ⊆ Clsd ⁡ J
98 87 unicld ⊢ J ∈ Top ∧ X / R ∖ S ∈ Fin ∧ X / R ∖ S ⊆ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ∈ Clsd ⁡ J
99 65 68 97 98 syl3anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ X / R ∖ S ∈ Clsd ⁡ J
100 87 cldopn ⊢ ⋃ X / R ∖ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ J ∖ ⋃ X / R ∖ S ∈ J
101 99 100 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → ⋃ J ∖ ⋃ X / R ∖ S ∈ J
102 63 101 eqeltrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin ∧ S ∈ Clsd ⁡ J → S ∈ J
103 102 ex ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin → S ∈ Clsd ⁡ J → S ∈ J
104 1 opnsubg ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → S ∈ Clsd ⁡ J
105 104 3expia ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ∈ J → S ∈ Clsd ⁡ J
106 105 3adant3 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin → S ∈ J → S ∈ Clsd ⁡ J
107 103 106 impbid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ X / R ∈ Fin → S ∈ Clsd ⁡ J ↔ S ∈ J