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Theorem dfgrp3

Description: Alternate definition of a group as semigroup (with at least one element) which is also a quasigroup, i.e. a magma in which solutions x and y of the equations ( a .+ x ) = b and ( x .+ a ) = b exist. Theorem 3.2 of Bruck p. 28. (Contributed by AV, 28-Aug-2021)

Ref Expression
Hypotheses dfgrp3.b ⊢ B = Base G
dfgrp3.p ⊢ + ˙ = + G
Assertion dfgrp3 ⊢ G ∈ Grp ↔ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 dfgrp3.b ⊢ B = Base G
2 dfgrp3.p ⊢ + ˙ = + G
3 grpsgrp ⊢ G ∈ Grp → G ∈ Smgrp
4 1 grpbn0 ⊢ G ∈ Grp → B ≠ ∅
5 simpl ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → G ∈ Grp
6 simpr ⊢ x ∈ B ∧ y ∈ B → y ∈ B
7 6 adantl ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → y ∈ B
8 simpl ⊢ x ∈ B ∧ y ∈ B → x ∈ B
9 8 adantl ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → x ∈ B
10 eqid ⊢ - G = - G
11 1 10 grpsubcl ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ B ∧ x ∈ B → y - G x ∈ B
12 5 7 9 11 syl3anc ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → y - G x ∈ B
13 oveq1 ⊢ l = y - G x → l + ˙ x = y - G x + ˙ x
14 13 eqeq1d ⊢ l = y - G x → l + ˙ x = y ↔ y - G x + ˙ x = y
15 14 adantl ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ l = y - G x → l + ˙ x = y ↔ y - G x + ˙ x = y
16 1 2 10 grpnpcan ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ B ∧ x ∈ B → y - G x + ˙ x = y
17 5 7 9 16 syl3anc ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → y - G x + ˙ x = y
18 12 15 17 rspcedvd ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → ∃ l ∈ B l + ˙ x = y
19 eqid ⊢ inv g ⁡ G = inv g ⁡ G
20 1 19 grpinvcl ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B → inv g ⁡ G ⁡ x ∈ B
21 20 adantrr ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → inv g ⁡ G ⁡ x ∈ B
22 1 2 5 21 7 grpcld ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y ∈ B
23 oveq2 ⊢ r = inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y → x + ˙ r = x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y
24 23 eqeq1d ⊢ r = inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y → x + ˙ r = y ↔ x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y = y
25 24 adantl ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ r = inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y → x + ˙ r = y ↔ x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y = y
26 eqid ⊢ 0 G = 0 G
27 1 2 26 19 grprinv ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B → x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x = 0 G
28 27 adantrr ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x = 0 G
29 28 oveq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y = 0 G + ˙ y
30 1 2 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ inv g ⁡ G ⁡ x ∈ B ∧ y ∈ B → x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y = x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y
31 5 9 21 7 30 syl13anc ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y = x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y
32 grpmnd ⊢ G ∈ Grp → G ∈ Mnd
33 1 2 26 mndlid ⊢ G ∈ Mnd ∧ y ∈ B → 0 G + ˙ y = y
34 32 6 33 syl2an ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → 0 G + ˙ y = y
35 29 31 34 3eqtr3d ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → x + ˙ inv g ⁡ G ⁡ x + ˙ y = y
36 22 25 35 rspcedvd ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
37 18 36 jca ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
38 37 ralrimivva ⊢ G ∈ Grp → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
39 3 4 38 3jca ⊢ G ∈ Grp → G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
40 simp1 ⊢ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → G ∈ Smgrp
41 1 2 dfgrp3lem ⊢ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∃ u ∈ B ∀ a ∈ B u + ˙ a = a ∧ ∃ i ∈ B i + ˙ a = u
42 1 2 dfgrp2 ⊢ G ∈ Grp ↔ G ∈ Smgrp ∧ ∃ u ∈ B ∀ a ∈ B u + ˙ a = a ∧ ∃ i ∈ B i + ˙ a = u
43 40 41 42 sylanbrc ⊢ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → G ∈ Grp
44 39 43 impbii ⊢ G ∈ Grp ↔ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y