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Theorem cyggenod

Description: An element is the generator of a finite group iff the order of the generator equals the order of the group. (Contributed by Mario Carneiro, 21-Apr-2016)

Ref Expression
Hypotheses iscyg.1 ⊢ B = Base G
iscyg.2 ⊢ · ˙ = ⋅ G
iscyg3.e ⊢ E = x ∈ B | ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ x = B
cyggenod.o ⊢ O = od ⁡ G
Assertion cyggenod ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin → X ∈ E ↔ X ∈ B ∧ O ⁡ X = B

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 iscyg.1 ⊢ B = Base G
2 iscyg.2 ⊢ · ˙ = ⋅ G
3 iscyg3.e ⊢ E = x ∈ B | ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ x = B
4 cyggenod.o ⊢ O = od ⁡ G
5 1 2 3 iscyggen ⊢ X ∈ E ↔ X ∈ B ∧ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B
6 simplr ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → B ∈ Fin
7 simplll ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B ∧ n ∈ ℤ → G ∈ Grp
8 simpr ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B ∧ n ∈ ℤ → n ∈ ℤ
9 simplr ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B ∧ n ∈ ℤ → X ∈ B
10 1 2 mulgcl ⊢ G ∈ Grp ∧ n ∈ ℤ ∧ X ∈ B → n · ˙ X ∈ B
11 7 8 9 10 syl3anc ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B ∧ n ∈ ℤ → n · ˙ X ∈ B
12 11 fmpttd ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X : ℤ ⟶ B
13 12 frnd ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ⊆ B
14 6 13 ssfid ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ∈ Fin
15 hashen ⊢ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ∈ Fin ∧ B ∈ Fin → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B ↔ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ≈ B
16 14 6 15 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B ↔ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ≈ B
17 eqid ⊢ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X
18 1 4 2 17 dfod2 ⊢ G ∈ Grp ∧ X ∈ B → O ⁡ X = if ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ∈ Fin ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X 0
19 18 adantlr ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → O ⁡ X = if ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ∈ Fin ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X 0
20 14 iftrued ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → if ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ∈ Fin ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X 0 = ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X
21 19 20 eqtr2d ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = O ⁡ X
22 21 eqeq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B ↔ O ⁡ X = B
23 fisseneq ⊢ B ∈ Fin ∧ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ⊆ B ∧ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ≈ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B
24 23 3expia ⊢ B ∈ Fin ∧ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ⊆ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ≈ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B
25 enrefg ⊢ B ∈ Fin → B ≈ B
26 25 adantr ⊢ B ∈ Fin ∧ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ⊆ B → B ≈ B
27 breq1 ⊢ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ≈ B ↔ B ≈ B
28 26 27 syl5ibrcom ⊢ B ∈ Fin ∧ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ⊆ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ≈ B
29 24 28 impbid ⊢ B ∈ Fin ∧ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ⊆ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ≈ B ↔ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B
30 6 13 29 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X ≈ B ↔ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B
31 16 22 30 3bitr3rd ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin ∧ X ∈ B → ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B ↔ O ⁡ X = B
32 31 pm5.32da ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin → X ∈ B ∧ ran ⁡ n ∈ ℤ ⟼ n · ˙ X = B ↔ X ∈ B ∧ O ⁡ X = B
33 5 32 bitrid ⊢ G ∈ Grp ∧ B ∈ Fin → X ∈ E ↔ X ∈ B ∧ O ⁡ X = B