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Theorem dfgrp3e

Description: Alternate definition of a group as a set with a closed, associative operation, for which solutions x and y of the equations ( a .+ x ) = b and ( x .+ a ) = b exist. Exercise 1 of Herstein p. 57. (Contributed by NM, 5-Dec-2006) (Revised by AV, 28-Aug-2021)

Ref Expression
Hypotheses dfgrp3.b ⊢ B = Base G
dfgrp3.p ⊢ + ˙ = + G
Assertion dfgrp3e ⊢ G ∈ Grp ↔ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ 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 1 2 dfgrp3 ⊢ G ∈ Grp ↔ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
4 simp2 ⊢ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → B ≠ ∅
5 sgrpmgm ⊢ G ∈ Smgrp → G ∈ Mgm
6 5 adantr ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B → G ∈ Mgm
7 6 adantr ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → G ∈ Mgm
8 simpr ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B → x ∈ B
9 8 adantr ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → x ∈ B
10 simpr ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → y ∈ B
11 1 2 mgmcl ⊢ G ∈ Mgm ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → x + ˙ y ∈ B
12 7 9 10 11 syl3anc ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → x + ˙ y ∈ B
13 12 adantr ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → x + ˙ y ∈ B
14 1 2 sgrpass ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ z ∈ B → x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z
15 14 3anassrs ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ z ∈ B → x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z
16 15 ralrimiva ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z
17 16 adantr ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z
18 simpr ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
19 13 17 18 3jca ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
20 19 ex ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B ∧ y ∈ B → ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
21 20 ralimdva ⊢ G ∈ Smgrp ∧ x ∈ B → ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
22 21 ralimdva ⊢ G ∈ Smgrp → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
23 22 a1d ⊢ G ∈ Smgrp → B ≠ ∅ → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
24 23 3imp ⊢ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
25 4 24 jca ⊢ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
26 n0 ⊢ B ≠ ∅ ↔ ∃ a a ∈ B
27 3simpa ⊢ x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z
28 27 2ralimi ⊢ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z
29 1 2 issgrpn0 ⊢ a ∈ B → G ∈ Smgrp ↔ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z
30 28 29 imbitrrid ⊢ a ∈ B → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → G ∈ Smgrp
31 30 exlimiv ⊢ ∃ a a ∈ B → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → G ∈ Smgrp
32 26 31 sylbi ⊢ B ≠ ∅ → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → G ∈ Smgrp
33 32 imp ⊢ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → G ∈ Smgrp
34 simpl ⊢ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → B ≠ ∅
35 simp3 ⊢ x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
36 35 2ralimi ⊢ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
37 36 adantl ⊢ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
38 33 34 37 3jca ⊢ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y → G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
39 25 38 impbii ⊢ G ∈ Smgrp ∧ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y ↔ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y
40 3 39 bitri ⊢ G ∈ Grp ↔ B ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ B ∀ y ∈ B x + ˙ y ∈ B ∧ ∀ z ∈ B x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + ˙ z ∧ ∃ l ∈ B l + ˙ x = y ∧ ∃ r ∈ B x + ˙ r = y