Metamath Proof Explorer


Theorem isnsg3

Description: A subgroup is normal iff the conjugation of all the elements of the subgroup is in the subgroup. (Contributed by Mario Carneiro, 18-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses isnsg3.1 ⊢ X = Base G
isnsg3.2 ⊢ + ˙ = + G
isnsg3.3 ⊢ - ˙ = - G
Assertion isnsg3 ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ↔ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 isnsg3.1 ⊢ X = Base G
2 isnsg3.2 ⊢ + ˙ = + G
3 isnsg3.3 ⊢ - ˙ = - G
4 nsgsubg ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G → S ∈ SubGrp ⁡ G
5 1 2 3 nsgconj ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ X ∧ y ∈ S → x + ˙ y - ˙ x ∈ S
6 5 3expb ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ x ∈ X ∧ y ∈ S → x + ˙ y - ˙ x ∈ S
7 6 ralrimivva ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G → ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S
8 4 7 jca ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G → S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S
9 simpl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S → S ∈ SubGrp ⁡ G
10 subgrcl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → G ∈ Grp
11 10 ad2antrr ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → G ∈ Grp
12 simprll ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → z ∈ X
13 eqid ⊢ 0 G = 0 G
14 eqid ⊢ inv g ⁡ G = inv g ⁡ G
15 1 2 13 14 grplinv ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = 0 G
16 11 12 15 syl2anc ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = 0 G
17 16 oveq1d ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w = 0 G + ˙ w
18 1 14 grpinvcl ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X
19 11 12 18 syl2anc ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X
20 simprlr ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → w ∈ X
21 1 2 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w
22 11 19 12 20 21 syl13anc ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w
23 1 2 13 grplid ⊢ G ∈ Grp ∧ w ∈ X → 0 G + ˙ w = w
24 11 20 23 syl2anc ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → 0 G + ˙ w = w
25 17 22 24 3eqtr3d ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w = w
26 25 oveq1d ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = w - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z
27 1 2 3 14 11 20 12 grpsubinv ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → w - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = w + ˙ z
28 26 27 eqtrd ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = w + ˙ z
29 simprr ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → z + ˙ w ∈ S
30 simplr ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S
31 oveq1 ⊢ x = inv g ⁡ G ⁡ z → x + ˙ y = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ y
32 id ⊢ x = inv g ⁡ G ⁡ z → x = inv g ⁡ G ⁡ z
33 31 32 oveq12d ⊢ x = inv g ⁡ G ⁡ z → x + ˙ y - ˙ x = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ y - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z
34 33 eleq1d ⊢ x = inv g ⁡ G ⁡ z → x + ˙ y - ˙ x ∈ S ↔ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ y - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S
35 oveq2 ⊢ y = z + ˙ w → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ y = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w
36 35 oveq1d ⊢ y = z + ˙ w → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ y - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z
37 36 eleq1d ⊢ y = z + ˙ w → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ y - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S ↔ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S
38 34 37 rspc2va ⊢ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S
39 19 29 30 38 syl21anc ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z + ˙ w - ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S
40 28 39 eqeltrrd ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ z + ˙ w ∈ S → w + ˙ z ∈ S
41 40 expr ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X → z + ˙ w ∈ S → w + ˙ z ∈ S
42 41 ralrimivva ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S → ∀ z ∈ X ∀ w ∈ X z + ˙ w ∈ S → w + ˙ z ∈ S
43 1 2 isnsg2 ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ↔ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ z ∈ X ∀ w ∈ X z + ˙ w ∈ S → w + ˙ z ∈ S
44 9 42 43 sylanbrc ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S → S ∈ NrmSGrp ⁡ G
45 8 44 impbii ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ↔ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ S x + ˙ y - ˙ x ∈ S