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Theorem imasmnd2

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

Ref Expression
Hypotheses imasmnd.u ⊢ φ → U = F “ 𝑠 R
imasmnd.v ⊢ φ → V = Base R
imasmnd.p ⊢ + ˙ = + R
imasmnd.f ⊢ φ → F : V ⟶ onto B
imasmnd.e ⊢ φ ∧ a ∈ V ∧ b ∈ V ∧ p ∈ V ∧ q ∈ V → F ⁡ a = F ⁡ p ∧ F ⁡ b = F ⁡ q → F ⁡ a + ˙ b = F ⁡ p + ˙ q
imasmnd2.r ⊢ φ → R ∈ W
imasmnd2.1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → x + ˙ y ∈ V
imasmnd2.2 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + ˙ z = F ⁡ x + ˙ y + ˙ z
imasmnd2.3 ⊢ φ → 0 ˙ ∈ V
imasmnd2.4 ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + ˙ x = F ⁡ x
imasmnd2.5 ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ x + ˙ 0 ˙ = F ⁡ x
Assertion imasmnd2 ⊢ φ → U ∈ Mnd ∧ F ⁡ 0 ˙ = 0 U

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 imasmnd.u ⊢ φ → U = F “ 𝑠 R
2 imasmnd.v ⊢ φ → V = Base R
3 imasmnd.p ⊢ + ˙ = + R
4 imasmnd.f ⊢ φ → F : V ⟶ onto B
5 imasmnd.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 imasmnd2.r ⊢ φ → R ∈ W
7 imasmnd2.1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → x + ˙ y ∈ V
8 imasmnd2.2 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + ˙ z = F ⁡ x + ˙ y + ˙ z
9 imasmnd2.3 ⊢ φ → 0 ˙ ∈ V
10 imasmnd2.4 ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + ˙ x = F ⁡ x
11 imasmnd2.5 ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ x + ˙ 0 ˙ = F ⁡ x
12 1 2 4 6 imasbas ⊢ φ → B = Base U
13 eqidd ⊢ φ → + U = + U
14 eqid ⊢ + U = + U
15 7 3expb ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → x + ˙ y ∈ V
16 15 caovclg ⊢ φ ∧ p ∈ V ∧ q ∈ V → p + ˙ q ∈ V
17 4 5 1 2 6 3 14 16 imasaddf ⊢ φ → + U : B × B ⟶ B
18 fovcdm ⊢ + U : B × B ⟶ B ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B → u + U v ∈ B
19 17 18 syl3an1 ⊢ φ ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B → u + U v ∈ B
20 forn ⊢ F : V ⟶ onto B → ran ⁡ F = B
21 4 20 syl ⊢ φ → ran ⁡ F = B
22 21 eleq2d ⊢ φ → u ∈ ran ⁡ F ↔ u ∈ B
23 21 eleq2d ⊢ φ → v ∈ ran ⁡ F ↔ v ∈ B
24 21 eleq2d ⊢ φ → w ∈ ran ⁡ F ↔ w ∈ B
25 22 23 24 3anbi123d ⊢ φ → u ∈ ran ⁡ F ∧ v ∈ ran ⁡ F ∧ w ∈ ran ⁡ F ↔ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B
26 fofn ⊢ F : V ⟶ onto B → F Fn V
27 4 26 syl ⊢ φ → F Fn V
28 fvelrnb ⊢ F Fn V → u ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u
29 fvelrnb ⊢ F Fn V → v ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ y ∈ V F ⁡ y = v
30 fvelrnb ⊢ F Fn V → w ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ z ∈ V F ⁡ z = w
31 28 29 30 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
32 27 31 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
33 25 32 bitr3d ⊢ φ → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u ∧ ∃ y ∈ V F ⁡ y = v ∧ ∃ z ∈ V F ⁡ z = w
34 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
35 33 34 bitr4di ⊢ φ → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B ↔ ∃ x ∈ V ∃ y ∈ V ∃ z ∈ V F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w
36 simpl ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → φ
37 7 3adant3r3 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x + ˙ y ∈ V
38 simpr3 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → z ∈ V
39 4 5 1 2 6 3 14 imasaddval ⊢ φ ∧ x + ˙ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + ˙ y + ˙ z
40 36 37 38 39 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + ˙ y + ˙ z
41 simpr1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x ∈ V
42 16 caovclg ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y + ˙ z ∈ V
43 42 3adantr1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y + ˙ z ∈ V
44 4 5 1 2 6 3 14 imasaddval ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y + ˙ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + ˙ z = F ⁡ x + ˙ y + ˙ z
45 36 41 43 44 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + ˙ z = F ⁡ x + ˙ y + ˙ z
46 8 40 45 3eqtr4d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + ˙ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + U F ⁡ y + ˙ z
47 4 5 1 2 6 3 14 imasaddval ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y = F ⁡ x + ˙ y
48 47 3adant3r3 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y = F ⁡ x + ˙ y
49 48 oveq1d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + ˙ y + U F ⁡ z
50 4 5 1 2 6 3 14 imasaddval ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ y + ˙ z
51 50 3adant3r1 ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ y + ˙ z
52 51 oveq2d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + U F ⁡ y + ˙ z
53 46 49 52 3eqtr4d ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z
54 simp1 ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ x = u
55 simp2 ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ y = v
56 54 55 oveq12d ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ x + U F ⁡ y = u + U v
57 simp3 ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ z = w
58 56 57 oveq12d ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = u + U v + U w
59 55 57 oveq12d ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ y + U F ⁡ z = v + U w
60 54 59 oveq12d ⊢ F ⁡ x = u ∧ F ⁡ y = v ∧ F ⁡ z = w → F ⁡ x + U F ⁡ y + U F ⁡ z = u + U v + U w
61 58 60 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
62 53 61 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
63 62 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
64 63 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
65 64 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
66 65 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
67 35 66 sylbid ⊢ φ → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u + U v + U w = u + U v + U w
68 67 imp ⊢ φ ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u + U v + U w = u + U v + U w
69 fof ⊢ F : V ⟶ onto B → F : V ⟶ B
70 4 69 syl ⊢ φ → F : V ⟶ B
71 70 9 ffvelcdmd ⊢ φ → F ⁡ 0 ˙ ∈ B
72 27 28 syl ⊢ φ → u ∈ ran ⁡ F ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u
73 22 72 bitr3d ⊢ φ → u ∈ B ↔ ∃ x ∈ V F ⁡ x = u
74 simpl ⊢ φ ∧ x ∈ V → φ
75 9 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ V → 0 ˙ ∈ V
76 simpr ⊢ φ ∧ x ∈ V → x ∈ V
77 4 5 1 2 6 3 14 imasaddval ⊢ φ ∧ 0 ˙ ∈ V ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ + ˙ x
78 74 75 76 77 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ + ˙ x
79 78 10 eqtrd ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ x
80 oveq2 ⊢ F ⁡ x = u → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ 0 ˙ + U u
81 id ⊢ F ⁡ x = u → F ⁡ x = u
82 80 81 eqeq12d ⊢ F ⁡ x = u → F ⁡ 0 ˙ + U F ⁡ x = F ⁡ x ↔ F ⁡ 0 ˙ + U u = u
83 79 82 syl5ibcom ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ x = u → F ⁡ 0 ˙ + U u = u
84 83 rexlimdva ⊢ φ → ∃ x ∈ V F ⁡ x = u → F ⁡ 0 ˙ + U u = u
85 73 84 sylbid ⊢ φ → u ∈ B → F ⁡ 0 ˙ + U u = u
86 85 imp ⊢ φ ∧ u ∈ B → F ⁡ 0 ˙ + U u = u
87 4 5 1 2 6 3 14 imasaddval ⊢ φ ∧ x ∈ V ∧ 0 ˙ ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ 0 ˙ = F ⁡ x + ˙ 0 ˙
88 75 87 mpd3an3 ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ 0 ˙ = F ⁡ x + ˙ 0 ˙
89 88 11 eqtrd ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ x + U F ⁡ 0 ˙ = F ⁡ x
90 oveq1 ⊢ F ⁡ x = u → F ⁡ x + U F ⁡ 0 ˙ = u + U F ⁡ 0 ˙
91 90 81 eqeq12d ⊢ F ⁡ x = u → F ⁡ x + U F ⁡ 0 ˙ = F ⁡ x ↔ u + U F ⁡ 0 ˙ = u
92 89 91 syl5ibcom ⊢ φ ∧ x ∈ V → F ⁡ x = u → u + U F ⁡ 0 ˙ = u
93 92 rexlimdva ⊢ φ → ∃ x ∈ V F ⁡ x = u → u + U F ⁡ 0 ˙ = u
94 73 93 sylbid ⊢ φ → u ∈ B → u + U F ⁡ 0 ˙ = u
95 94 imp ⊢ φ ∧ u ∈ B → u + U F ⁡ 0 ˙ = u
96 12 13 19 68 71 86 95 ismndd ⊢ φ → U ∈ Mnd
97 12 13 71 86 95 grpidd ⊢ φ → F ⁡ 0 ˙ = 0 U
98 96 97 jca ⊢ φ → U ∈ Mnd ∧ F ⁡ 0 ˙ = 0 U