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Theorem clsnsg

Description: The closure of a normal subgroup is a normal subgroup. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Sep-2015)

Ref Expression
Hypothesis subgntr.h ⊢ J = TopOpen ⁡ G
Assertion clsnsg ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S ∈ NrmSGrp ⁡ G

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 subgntr.h ⊢ J = TopOpen ⁡ G
2 nsgsubg ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G → S ∈ SubGrp ⁡ G
3 1 clssubg ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S ∈ SubGrp ⁡ G
4 2 3 sylan2 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S ∈ SubGrp ⁡ G
5 df-ima ⊢ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x cls ⁡ J ⁡ S = ran ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x ↾ cls ⁡ J ⁡ S
6 eqid ⊢ Base G = Base G
7 1 6 tgptopon ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ TopOn ⁡ Base G
8 7 ad2antrr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → J ∈ TopOn ⁡ Base G
9 topontop ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G → J ∈ Top
10 8 9 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → J ∈ Top
11 2 ad2antlr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → S ∈ SubGrp ⁡ G
12 6 subgss ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ⊆ Base G
13 11 12 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → S ⊆ Base G
14 toponuni ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G → Base G = ⋃ J
15 8 14 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → Base G = ⋃ J
16 13 15 sseqtrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → S ⊆ ⋃ J
17 eqid ⊢ ⋃ J = ⋃ J
18 17 clsss3 ⊢ J ∈ Top ∧ S ⊆ ⋃ J → cls ⁡ J ⁡ S ⊆ ⋃ J
19 10 16 18 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → cls ⁡ J ⁡ S ⊆ ⋃ J
20 19 15 sseqtrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → cls ⁡ J ⁡ S ⊆ Base G
21 20 resmptd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x ↾ cls ⁡ J ⁡ S = y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x
22 21 rneqd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → ran ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x ↾ cls ⁡ J ⁡ S = ran ⁡ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x
23 5 22 eqtrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x cls ⁡ J ⁡ S = ran ⁡ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x
24 eqid ⊢ + G = + G
25 tgptmd ⊢ G ∈ TopGrp → G ∈ TopMnd
26 25 ad2antrr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → G ∈ TopMnd
27 simpr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → x ∈ Base G
28 8 8 27 cnmptc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x ∈ J Cn J
29 8 cnmptid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ y ∈ J Cn J
30 1 24 26 8 28 29 cnmpt1plusg ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y ∈ J Cn J
31 eqid ⊢ - G = - G
32 1 31 tgpsubcn ⊢ G ∈ TopGrp → - G ∈ J × t J Cn J
33 32 ad2antrr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → - G ∈ J × t J Cn J
34 8 30 28 33 cnmpt12f ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x ∈ J Cn J
35 17 cnclsi ⊢ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x ∈ J Cn J ∧ S ⊆ ⋃ J → y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x cls ⁡ J ⁡ S ⊆ cls ⁡ J ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x S
36 34 16 35 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x cls ⁡ J ⁡ S ⊆ cls ⁡ J ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x S
37 df-ima ⊢ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x S = ran ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x ↾ S
38 13 resmptd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x ↾ S = y ∈ S ⟼ x + G y - G x
39 38 rneqd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → ran ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x ↾ S = ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y - G x
40 37 39 eqtrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x S = ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y - G x
41 6 24 31 nsgconj ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G ∧ y ∈ S → x + G y - G x ∈ S
42 41 ad4ant234 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G ∧ y ∈ S → x + G y - G x ∈ S
43 42 fmpttd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ S ⟼ x + G y - G x : S ⟶ S
44 43 frnd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y - G x ⊆ S
45 40 44 eqsstrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x S ⊆ S
46 17 clsss ⊢ J ∈ Top ∧ S ⊆ ⋃ J ∧ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x S ⊆ S → cls ⁡ J ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x S ⊆ cls ⁡ J ⁡ S
47 10 16 45 46 syl3anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → cls ⁡ J ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x S ⊆ cls ⁡ J ⁡ S
48 36 47 sstrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y - G x cls ⁡ J ⁡ S ⊆ cls ⁡ J ⁡ S
49 23 48 eqsstrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → ran ⁡ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x ⊆ cls ⁡ J ⁡ S
50 ovex ⊢ x + G y - G x ∈ V
51 eqid ⊢ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x = y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x
52 50 51 fnmpti ⊢ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x Fn cls ⁡ J ⁡ S
53 df-f ⊢ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x : cls ⁡ J ⁡ S ⟶ cls ⁡ J ⁡ S ↔ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x Fn cls ⁡ J ⁡ S ∧ ran ⁡ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x ⊆ cls ⁡ J ⁡ S
54 52 53 mpbiran ⊢ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x : cls ⁡ J ⁡ S ⟶ cls ⁡ J ⁡ S ↔ ran ⁡ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x ⊆ cls ⁡ J ⁡ S
55 49 54 sylibr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x : cls ⁡ J ⁡ S ⟶ cls ⁡ J ⁡ S
56 51 fmpt ⊢ ∀ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S x + G y - G x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ↔ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S ⟼ x + G y - G x : cls ⁡ J ⁡ S ⟶ cls ⁡ J ⁡ S
57 55 56 sylibr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ Base G → ∀ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S x + G y - G x ∈ cls ⁡ J ⁡ S
58 57 ralrimiva ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G → ∀ x ∈ Base G ∀ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S x + G y - G x ∈ cls ⁡ J ⁡ S
59 6 24 31 isnsg3 ⊢ cls ⁡ J ⁡ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ↔ cls ⁡ J ⁡ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ Base G ∀ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S x + G y - G x ∈ cls ⁡ J ⁡ S
60 4 58 59 sylanbrc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ NrmSGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S ∈ NrmSGrp ⁡ G