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Theorem idomsubgmo

Description: The units of an integral domain have at most one subgroup of any single finite cardinality. (Contributed by Stefan O'Rear, 12-Sep-2015) (Revised by NM, 17-Jun-2017)

Ref Expression
Hypothesis idomsubgmo.g ⊢ G = mulGrp R ↾ 𝑠 Unit ⁡ R
Assertion idomsubgmo ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ → ∃* y ∈ SubGrp ⁡ G y = N

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 idomsubgmo.g ⊢ G = mulGrp R ↾ 𝑠 Unit ⁡ R
2 fvex ⊢ Base G ∈ V
3 2 rabex ⊢ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ∈ V
4 simp2l ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ∈ SubGrp ⁡ G
5 eqid ⊢ Base G = Base G
6 5 subgss ⊢ y ∈ SubGrp ⁡ G → y ⊆ Base G
7 4 6 syl ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ⊆ Base G
8 simpl2l ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ y → y ∈ SubGrp ⁡ G
9 simp3l ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y = N
10 simp1r ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → N ∈ ℕ
11 10 nnnn0d ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → N ∈ ℕ 0
12 9 11 eqeltrd ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ∈ ℕ 0
13 vex ⊢ y ∈ V
14 hashclb ⊢ y ∈ V → y ∈ Fin ↔ y ∈ ℕ 0
15 13 14 ax-mp ⊢ y ∈ Fin ↔ y ∈ ℕ 0
16 12 15 sylibr ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ∈ Fin
17 16 adantr ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ y → y ∈ Fin
18 simpr ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ y → z ∈ y
19 eqid ⊢ od ⁡ G = od ⁡ G
20 19 odsubdvds ⊢ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y ∈ Fin ∧ z ∈ y → od ⁡ G ⁡ z ∥ y
21 8 17 18 20 syl3anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ y → od ⁡ G ⁡ z ∥ y
22 9 adantr ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ y → y = N
23 21 22 breqtrd ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ y → od ⁡ G ⁡ z ∥ N
24 7 23 ssrabdv ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ⊆ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N
25 simp2r ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → x ∈ SubGrp ⁡ G
26 5 subgss ⊢ x ∈ SubGrp ⁡ G → x ⊆ Base G
27 25 26 syl ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → x ⊆ Base G
28 simpl2r ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ x → x ∈ SubGrp ⁡ G
29 simp3r ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → x = N
30 29 11 eqeltrd ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → x ∈ ℕ 0
31 vex ⊢ x ∈ V
32 hashclb ⊢ x ∈ V → x ∈ Fin ↔ x ∈ ℕ 0
33 31 32 ax-mp ⊢ x ∈ Fin ↔ x ∈ ℕ 0
34 30 33 sylibr ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → x ∈ Fin
35 34 adantr ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ x → x ∈ Fin
36 simpr ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ x → z ∈ x
37 19 odsubdvds ⊢ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ Fin ∧ z ∈ x → od ⁡ G ⁡ z ∥ x
38 28 35 36 37 syl3anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ x → od ⁡ G ⁡ z ∥ x
39 29 adantr ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ x → x = N
40 38 39 breqtrd ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N ∧ z ∈ x → od ⁡ G ⁡ z ∥ N
41 27 40 ssrabdv ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → x ⊆ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N
42 24 41 unssd ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ∪ x ⊆ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N
43 ssdomg ⊢ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ∈ V → y ∪ x ⊆ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N → y ∪ x ≼ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N
44 3 42 43 mpsyl ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ∪ x ≼ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N
45 1 5 19 idomodle ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ → z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≤ N
46 45 3ad2ant1 ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≤ N
47 46 9 breqtrrd ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≤ y
48 3 a1i ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ∈ V
49 hashbnd ⊢ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ∈ V ∧ y ∈ ℕ 0 ∧ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≤ y → z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ∈ Fin
50 48 12 47 49 syl3anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ∈ Fin
51 hashdom ⊢ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ∈ Fin ∧ y ∈ V → z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≤ y ↔ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≼ y
52 50 13 51 sylancl ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≤ y ↔ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≼ y
53 47 52 mpbid ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≼ y
54 domtr ⊢ y ∪ x ≼ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ∧ z ∈ Base G | od ⁡ G ⁡ z ∥ N ≼ y → y ∪ x ≼ y
55 44 53 54 syl2anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ∪ x ≼ y
56 13 31 unex ⊢ y ∪ x ∈ V
57 ssun1 ⊢ y ⊆ y ∪ x
58 ssdomg ⊢ y ∪ x ∈ V → y ⊆ y ∪ x → y ≼ y ∪ x
59 56 57 58 mp2 ⊢ y ≼ y ∪ x
60 sbth ⊢ y ∪ x ≼ y ∧ y ≼ y ∪ x → y ∪ x ≈ y
61 55 59 60 sylancl ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ∪ x ≈ y
62 9 29 eqtr4d ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y = x
63 hashen ⊢ y ∈ Fin ∧ x ∈ Fin → y = x ↔ y ≈ x
64 16 34 63 syl2anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y = x ↔ y ≈ x
65 62 64 mpbid ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ≈ x
66 fiuneneq ⊢ y ≈ x ∧ y ∈ Fin → y ∪ x ≈ y ↔ y = x
67 65 16 66 syl2anc ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y ∪ x ≈ y ↔ y = x
68 61 67 mpbid ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y = N ∧ x = N → y = x
69 68 3expia ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ ∧ y ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ SubGrp ⁡ G → y = N ∧ x = N → y = x
70 69 ralrimivva ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ → ∀ y ∈ SubGrp ⁡ G ∀ x ∈ SubGrp ⁡ G y = N ∧ x = N → y = x
71 fveqeq2 ⊢ y = x → y = N ↔ x = N
72 71 rmo4 ⊢ ∃* y ∈ SubGrp ⁡ G y = N ↔ ∀ y ∈ SubGrp ⁡ G ∀ x ∈ SubGrp ⁡ G y = N ∧ x = N → y = x
73 70 72 sylibr ⊢ R ∈ IDomn ∧ N ∈ ℕ → ∃* y ∈ SubGrp ⁡ G y = N