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Theorem clssubg

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

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

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 subgntr.h ⊢ J = TopOpen ⁡ G
2 eqid ⊢ Base G = Base G
3 1 2 tgptopon ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ TopOn ⁡ Base G
4 3 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → J ∈ TopOn ⁡ Base G
5 topontop ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G → J ∈ Top
6 4 5 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → J ∈ Top
7 2 subgss ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ⊆ Base G
8 7 adantl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ⊆ Base G
9 toponuni ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G → Base G = ⋃ J
10 4 9 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → Base G = ⋃ J
11 8 10 sseqtrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ⊆ ⋃ J
12 eqid ⊢ ⋃ J = ⋃ J
13 12 clsss3 ⊢ J ∈ Top ∧ S ⊆ ⋃ J → cls ⁡ J ⁡ S ⊆ ⋃ J
14 6 11 13 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S ⊆ ⋃ J
15 14 10 sseqtrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S ⊆ Base G
16 12 sscls ⊢ J ∈ Top ∧ S ⊆ ⋃ J → S ⊆ cls ⁡ J ⁡ S
17 6 11 16 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ⊆ cls ⁡ J ⁡ S
18 eqid ⊢ 0 G = 0 G
19 18 subg0cl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → 0 G ∈ S
20 19 adantl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → 0 G ∈ S
21 20 ne0d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ≠ ∅
22 ssn0 ⊢ S ⊆ cls ⁡ J ⁡ S ∧ S ≠ ∅ → cls ⁡ J ⁡ S ≠ ∅
23 17 21 22 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S ≠ ∅
24 df-ov ⊢ x - G y = - G ⁡ x y
25 opelxpi ⊢ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∧ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S → x y ∈ cls ⁡ J ⁡ S × cls ⁡ J ⁡ S
26 txcls ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G ∧ J ∈ TopOn ⁡ Base G ∧ S ⊆ Base G ∧ S ⊆ Base G → cls ⁡ J × t J ⁡ S × S = cls ⁡ J ⁡ S × cls ⁡ J ⁡ S
27 4 4 8 8 26 syl22anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J × t J ⁡ S × S = cls ⁡ J ⁡ S × cls ⁡ J ⁡ S
28 txtopon ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G ∧ J ∈ TopOn ⁡ Base G → J × t J ∈ TopOn ⁡ Base G × Base G
29 4 4 28 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → J × t J ∈ TopOn ⁡ Base G × Base G
30 topontop ⊢ J × t J ∈ TopOn ⁡ Base G × Base G → J × t J ∈ Top
31 29 30 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → J × t J ∈ Top
32 cnvimass ⊢ - G -1 S ⊆ dom ⁡ - G
33 tgpgrp ⊢ G ∈ TopGrp → G ∈ Grp
34 33 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → G ∈ Grp
35 eqid ⊢ - G = - G
36 2 35 grpsubf ⊢ G ∈ Grp → - G : Base G × Base G ⟶ Base G
37 34 36 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → - G : Base G × Base G ⟶ Base G
38 32 37 fssdm ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → - G -1 S ⊆ Base G × Base G
39 toponuni ⊢ J × t J ∈ TopOn ⁡ Base G × Base G → Base G × Base G = ⋃ J × t J
40 29 39 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → Base G × Base G = ⋃ J × t J
41 38 40 sseqtrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → - G -1 S ⊆ ⋃ J × t J
42 35 subgsubcl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ S ∧ y ∈ S → x - G y ∈ S
43 42 3expb ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ S ∧ y ∈ S → x - G y ∈ S
44 43 ralrimivva ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x - G y ∈ S
45 fveq2 ⊢ z = x y → - G ⁡ z = - G ⁡ x y
46 45 24 eqtr4di ⊢ z = x y → - G ⁡ z = x - G y
47 46 eleq1d ⊢ z = x y → - G ⁡ z ∈ S ↔ x - G y ∈ S
48 47 ralxp ⊢ ∀ z ∈ S × S - G ⁡ z ∈ S ↔ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x - G y ∈ S
49 44 48 sylibr ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → ∀ z ∈ S × S - G ⁡ z ∈ S
50 49 adantl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → ∀ z ∈ S × S - G ⁡ z ∈ S
51 37 ffund ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → Fun ⁡ - G
52 xpss12 ⊢ S ⊆ Base G ∧ S ⊆ Base G → S × S ⊆ Base G × Base G
53 8 8 52 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → S × S ⊆ Base G × Base G
54 37 fdmd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → dom ⁡ - G = Base G × Base G
55 53 54 sseqtrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → S × S ⊆ dom ⁡ - G
56 funimass5 ⊢ Fun ⁡ - G ∧ S × S ⊆ dom ⁡ - G → S × S ⊆ - G -1 S ↔ ∀ z ∈ S × S - G ⁡ z ∈ S
57 51 55 56 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → S × S ⊆ - G -1 S ↔ ∀ z ∈ S × S - G ⁡ z ∈ S
58 50 57 mpbird ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → S × S ⊆ - G -1 S
59 eqid ⊢ ⋃ J × t J = ⋃ J × t J
60 59 clsss ⊢ J × t J ∈ Top ∧ - G -1 S ⊆ ⋃ J × t J ∧ S × S ⊆ - G -1 S → cls ⁡ J × t J ⁡ S × S ⊆ cls ⁡ J × t J ⁡ - G -1 S
61 31 41 58 60 syl3anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J × t J ⁡ S × S ⊆ cls ⁡ J × t J ⁡ - G -1 S
62 1 35 tgpsubcn ⊢ G ∈ TopGrp → - G ∈ J × t J Cn J
63 62 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → - G ∈ J × t J Cn J
64 12 cncls2i ⊢ - G ∈ J × t J Cn J ∧ S ⊆ ⋃ J → cls ⁡ J × t J ⁡ - G -1 S ⊆ - G -1 cls ⁡ J ⁡ S
65 63 11 64 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J × t J ⁡ - G -1 S ⊆ - G -1 cls ⁡ J ⁡ S
66 61 65 sstrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J × t J ⁡ S × S ⊆ - G -1 cls ⁡ J ⁡ S
67 27 66 eqsstrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S × cls ⁡ J ⁡ S ⊆ - G -1 cls ⁡ J ⁡ S
68 67 sselda ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x y ∈ cls ⁡ J ⁡ S × cls ⁡ J ⁡ S → x y ∈ - G -1 cls ⁡ J ⁡ S
69 25 68 sylan2 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∧ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S → x y ∈ - G -1 cls ⁡ J ⁡ S
70 33 ad2antrr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∧ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S → G ∈ Grp
71 ffn ⊢ - G : Base G × Base G ⟶ Base G → - G Fn Base G × Base G
72 elpreima ⊢ - G Fn Base G × Base G → x y ∈ - G -1 cls ⁡ J ⁡ S ↔ x y ∈ Base G × Base G ∧ - G ⁡ x y ∈ cls ⁡ J ⁡ S
73 70 36 71 72 4syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∧ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S → x y ∈ - G -1 cls ⁡ J ⁡ S ↔ x y ∈ Base G × Base G ∧ - G ⁡ x y ∈ cls ⁡ J ⁡ S
74 69 73 mpbid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∧ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S → x y ∈ Base G × Base G ∧ - G ⁡ x y ∈ cls ⁡ J ⁡ S
75 74 simprd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∧ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S → - G ⁡ x y ∈ cls ⁡ J ⁡ S
76 24 75 eqeltrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∧ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S → x - G y ∈ cls ⁡ J ⁡ S
77 76 ralrimivva ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → ∀ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∀ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S x - G y ∈ cls ⁡ J ⁡ S
78 2 35 issubg4 ⊢ G ∈ Grp → cls ⁡ J ⁡ S ∈ SubGrp ⁡ G ↔ cls ⁡ J ⁡ S ⊆ Base G ∧ cls ⁡ J ⁡ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∀ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S x - G y ∈ cls ⁡ J ⁡ S
79 34 78 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S ∈ SubGrp ⁡ G ↔ cls ⁡ J ⁡ S ⊆ Base G ∧ cls ⁡ J ⁡ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ cls ⁡ J ⁡ S ∀ y ∈ cls ⁡ J ⁡ S x - G y ∈ cls ⁡ J ⁡ S
80 15 23 77 79 mpbir3and ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G → cls ⁡ J ⁡ S ∈ SubGrp ⁡ G