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Theorem imasgrp2

Description: The image structure of a group is a group. (Contributed by Mario Carneiro, 24-Feb-2015) (Revised by Mario Carneiro, 5-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses imasgrp.u ⊢ φ → U = F “ 𝑠 R
imasgrp.v ⊢ φ → V = Base R
imasgrp.p ⊢ φ → + ˙ = + R
imasgrp.f ⊢ φ → F : V ⟶ onto B
imasgrp.e ⊢ φ ∧ a ∈ V ∧ b ∈ V ∧ p ∈ V ∧ q ∈ V → F ⁡ a = F ⁡ p ∧ F ⁡ b = F ⁡ q → F ⁡ a + ˙ b = F ⁡ p + ˙ q
imasgrp2.r ⊢ φ → R ∈ W
imasgrp2.1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → x + ˙ y ∈ V
imasgrp2.2 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + ˙ z = F ⁡ x + ˙ y + ˙ z
imasgrp2.3 ⊢ φ → 0 ˙ ∈ V
imasgrp2.4 ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + ˙ x = F ⁡ x
imasgrp2.5 ⊢ φ ∧ x ∈ V → N ∈ V
imasgrp2.6 ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ N + ˙ x = F ⁡ 0 ˙
Assertion imasgrp2 ⊢ φ → U ∈ Grp ∧ F ⁡ 0 ˙ = 0 U

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 imasgrp.u ⊢ φ → U = F “ 𝑠 R
2 imasgrp.v ⊢ φ → V = Base R
3 imasgrp.p ⊢ φ → + ˙ = + R
4 imasgrp.f ⊢ φ → F : V ⟶ onto B
5 imasgrp.e ⊢ φ ∧ a ∈ V ∧ b ∈ V ∧ p ∈ V ∧ q ∈ V → F ⁡ a = F ⁡ p ∧ F ⁡ b = F ⁡ q → F ⁡ a + ˙ b = F ⁡ p + ˙ q
6 imasgrp2.r ⊢ φ → R ∈ W
7 imasgrp2.1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → x + ˙ y ∈ V
8 imasgrp2.2 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + ˙ z = F ⁡ x + ˙ y + ˙ z
9 imasgrp2.3 ⊢ φ → 0 ˙ ∈ V
10 imasgrp2.4 ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + ˙ x = F ⁡ x
11 imasgrp2.5 ⊢ φ ∧ x ∈ V → N ∈ V
12 imasgrp2.6 ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ N + ˙ x = F ⁡ 0 ˙
13 1 2 4 6 imasbas ⊢ φ → B = Base U
14 eqidd ⊢ φ → + U = + U
15 3 oveqd ⊢ φ → a + ˙ b = a + R b
16 15 fveq2d ⊢ φ → F ⁡ a + ˙ b = F ⁡ a + R b
17 3 oveqd ⊢ φ → p + ˙ q = p + R q
18 17 fveq2d ⊢ φ → F ⁡ p + ˙ q = F ⁡ p + R q
19 16 18 eqeq12d ⊢ φ → F ⁡ a + ˙ b = F ⁡ p + ˙ q ↔ F ⁡ a + R b = F ⁡ p + R q
20 19 3ad2ant1 ⊢ φ ∧ a ∈ V ∧ b ∈ V ∧ p ∈ V ∧ q ∈ V → F ⁡ a + ˙ b = F ⁡ p + ˙ q ↔ F ⁡ a + R b = F ⁡ p + R q
21 5 20 sylibd ⊢ φ ∧ a ∈ V ∧ b ∈ V ∧ p ∈ V ∧ q ∈ V → F ⁡ a = F ⁡ p ∧ F ⁡ b = F ⁡ q → F ⁡ a + R b = F ⁡ p + R q
22 eqid ⊢ + R = + R
23 eqid ⊢ + U = + U
24 17 adantr ⊢ φ ∧ p ∈ V ∧ q ∈ V → p + ˙ q = p + R q
25 7 3expb ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → x + ˙ y ∈ V
26 25 caovclg ⊢ φ ∧ p ∈ V ∧ q ∈ V → p + ˙ q ∈ V
27 24 26 eqeltrrd ⊢ φ ∧ p ∈ V ∧ q ∈ V → p + R q ∈ V
28 4 21 1 2 6 22 23 27 imasaddf ⊢ φ → + U : B × B ⟶ B
29 fovcdm ⊢ + U : B × B ⟶ B ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B → u + U v ∈ B
30 28 29 syl3an1 ⊢ φ ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B → u + U v ∈ B
31 forn ⊢ F : V ⟶ onto B → ran ⁡ F = B
32 4 31 syl ⊢ φ → ran ⁡ F = B
33 32 eleq2d ⊢ φ → u ∈ ran ⁡ F ↔ u ∈ B
34 32 eleq2d ⊢ φ → v ∈ ran ⁡ F ↔ v ∈ B
35 32 eleq2d ⊢ φ → w ∈ ran ⁡ F ↔ w ∈ B
36 33 34 35 3anbi123d ⊢ φ → u ∈ ran ⁡ F ∧ v ∈ ran ⁡ F ∧ w ∈ ran ⁡ F ↔ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B
37 fofn ⊢ F : V ⟶ onto B → F Fn V
38 4 37 syl ⊢ φ → F Fn V
39 fvelrnb ⊢ F Fn V → u ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u
40 fvelrnb ⊢ F Fn V → v ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ y ∈ V F ⁡ y = v
41 fvelrnb ⊢ F Fn V → w ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ z ∈ V F ⁡ z = w
42 39 40 41 3anbi123d ⊢ F Fn V → u ∈ ran ⁡ F ∧ v ∈ ran ⁡ F ∧ w ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u ∧ ∃ y ∈ V F ⁡ y = v ∧ ∃ z ∈ V F ⁡ z = w
43 38 42 syl ⊢ φ → u ∈ ran ⁡ F ∧ v ∈ ran ⁡ F ∧ w ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u ∧ ∃ y ∈ V F ⁡ y = v ∧ ∃ z ∈ V F ⁡ z = w
44 36 43 bitr3d ⊢ φ → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u ∧ ∃ y ∈ V F ⁡ y = v ∧ ∃ z ∈ V F ⁡ z = w
45 3reeanv ⊢ ∃ x ∈ V ∃ y ∈ V ∃ z ∈ V F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u ∧ ∃ y ∈ V F ⁡ y = v ∧ ∃ z ∈ V F ⁡ z = w
46 44 45 bitr4di ⊢ φ → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B ↔ ∃ x ∈ V ∃ y ∈ V ∃ z ∈ V F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w
47 3 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → + ˙ = + R
48 47 oveqd ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x + ˙ y + ˙ z = x + ˙ y + R z
49 48 fveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + ˙ z = F ⁡ x + ˙ y + R z
50 47 oveqd ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x + ˙ y + ˙ z = x + R y + ˙ z
51 50 fveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + ˙ z = F ⁡ x + R y + ˙ z
52 8 49 51 3eqtr3d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + R z = F ⁡ x + R y + ˙ z
53 simpl ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → φ
54 7 3adant3r3 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x + ˙ y ∈ V
55 simpr3 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → z ∈ V
56 4 21 1 2 6 22 23 imasaddval ⊢ φ ∧ x + ˙ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + ˙ y + R z
57 53 54 55 56 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + ˙ y + R z
58 simpr1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x ∈ V
59 26 caovclg ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y + ˙ z ∈ V
60 59 3adantr1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y + ˙ z ∈ V
61 4 21 1 2 6 22 23 imasaddval ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y + ˙ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + ˙ z = F ⁡ x + R y + ˙ z
62 53 58 60 61 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + ˙ z = F ⁡ x + R y + ˙ z
63 52 57 62 3eqtr4d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + U F ⁡ y + ˙ z
64 4 21 1 2 6 22 23 imasaddval ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y = F ⁡ x + R y
65 64 3adant3r3 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y = F ⁡ x + R y
66 47 oveqd ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x + ˙ y = x + R y
67 66 fveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y = F ⁡ x + R y
68 65 67 eqtr4d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y = F ⁡ x + ˙ y
69 68 oveq1d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + ˙ y + U F ⁡ z
70 4 21 1 2 6 22 23 imasaddval ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ y + R z
71 70 3adant3r1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ y + R z
72 47 oveqd ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y + ˙ z = y + R z
73 72 fveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ y + ˙ z = F ⁡ y + R z
74 71 73 eqtr4d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ y + ˙ z
75 74 oveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + U F ⁡ y + ˙ z
76 63 69 75 3eqtr4d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z
77 simp1 ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ x = u
78 simp2 ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ y = v
79 77 78 oveq12d ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ x + U F ⁡ y = u + U v
80 simp3 ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ z = w
81 79 80 oveq12d ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = u + U v + U w
82 78 80 oveq12d ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ y + U F ⁡ z = v + U w
83 77 82 oveq12d ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = u + U v + U w
84 81 83 eqeq12d ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z ↔ u + U v + U w = u + U v + U w
85 76 84 syl5ibcom ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → u + U v + U w = u + U v + U w
86 85 3exp2 ⊢ φ → x ∈ V → y ∈ V → z ∈ V → F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → u + U v + U w = u + U v + U w
87 86 imp32 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → z ∈ V → F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → u + U v + U w = u + U v + U w
88 87 rexlimdv ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → ∃ z ∈ V F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → u + U v + U w = u + U v + U w
89 88 rexlimdvva ⊢ φ → ∃ x ∈ V ∃ y ∈ V ∃ z ∈ V F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → u + U v + U w = u + U v + U w
90 46 89 sylbid ⊢ φ → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u + U v + U w = u + U v + U w
91 90 imp ⊢ φ ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u + U v + U w = u + U v + U w
92 fof ⊢ F : V ⟶ onto B → F : V ⟶ B
93 4 92 syl ⊢ φ → F : V ⟶ B
94 93 9 ffvelcdmd ⊢ φ → F ⁡ 0 ˙ ∈ B
95 38 39 syl ⊢ φ → u ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u
96 33 95 bitr3d ⊢ φ → u ∈ B ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u
97 simpl ⊢ φ ∧ x ∈ V → φ
98 9 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ V → 0 ˙ ∈ V
99 simpr ⊢ φ ∧ x ∈ V → x ∈ V
100 4 21 1 2 6 22 23 imasaddval ⊢ φ ∧ 0 ˙ ∈ V ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ + R x
101 97 98 99 100 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ + R x
102 3 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ V → + ˙ = + R
103 102 oveqd ⊢ φ ∧ x ∈ V → 0 ˙ + ˙ x = 0 ˙ + R x
104 103 fveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + ˙ x = F ⁡ 0 ˙ + R x
105 101 104 10 3eqtr2d ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ x
106 oveq2 ⊢ F ⁡ x = u → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ + U u
107 id ⊢ F ⁡ x = u → F ⁡ x = u
108 106 107 eqeq12d ⊢ F ⁡ x = u → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ x ↔ F ⁡ 0 ˙ + U u = u
109 105 108 syl5ibcom ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ x = u → F ⁡ 0 ˙ + U u = u
110 109 rexlimdva ⊢ φ → ∃ x ∈ V F ⁡ x = u → F ⁡ 0 ˙ + U u = u
111 96 110 sylbid ⊢ φ → u ∈ B → F ⁡ 0 ˙ + U u = u
112 111 imp ⊢ φ ∧ u ∈ B → F ⁡ 0 ˙ + U u = u
113 93 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ V → F : V ⟶ B
114 113 11 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ N ∈ B
115 4 21 1 2 6 22 23 imasaddval ⊢ φ ∧ N ∈ V ∧ x ∈ V → F ⁡ N + U F ⁡ x = F ⁡ N + R x
116 97 11 99 115 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ N + U F ⁡ x = F ⁡ N + R x
117 102 oveqd ⊢ φ ∧ x ∈ V → N + ˙ x = N + R x
118 117 fveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ N + ˙ x = F ⁡ N + R x
119 116 118 12 3eqtr2d ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ N + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙
120 oveq1 ⊢ v = F ⁡ N → v + U F ⁡ x = F ⁡ N + U F ⁡ x
121 120 eqeq1d ⊢ v = F ⁡ N → v + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ ↔ F ⁡ N + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙
122 121 rspcev ⊢ F ⁡ N ∈ B ∧ F ⁡ N + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ → ∃ v ∈ B v + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙
123 114 119 122 syl2anc ⊢ φ ∧ x ∈ V → ∃ v ∈ B v + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙
124 oveq2 ⊢ F ⁡ x = u → v + U F ⁡ x = v + U u
125 124 eqeq1d ⊢ F ⁡ x = u → v + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ ↔ v + U u = F ⁡ 0 ˙
126 125 rexbidv ⊢ F ⁡ x = u → ∃ v ∈ B v + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ ↔ ∃ v ∈ B v + U u = F ⁡ 0 ˙
127 123 126 syl5ibcom ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ x = u → ∃ v ∈ B v + U u = F ⁡ 0 ˙
128 127 rexlimdva ⊢ φ → ∃ x ∈ V F ⁡ x = u → ∃ v ∈ B v + U u = F ⁡ 0 ˙
129 96 128 sylbid ⊢ φ → u ∈ B → ∃ v ∈ B v + U u = F ⁡ 0 ˙
130 129 imp ⊢ φ ∧ u ∈ B → ∃ v ∈ B v + U u = F ⁡ 0 ˙
131 13 14 30 91 94 112 130 isgrpde ⊢ φ → U ∈ Grp
132 13 14 94 112 131 grpidd2 ⊢ φ → F ⁡ 0 ˙ = 0 U
133 131 132 jca ⊢ φ → U ∈ Grp ∧ F ⁡ 0 ˙ = 0 U