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Theorem issubg2

Description: Characterize the subgroups of a group by closure properties. (Contributed by Mario Carneiro, 2-Dec-2014)

Ref Expression
Hypotheses issubg2.b ⊢ B = Base G
issubg2.p ⊢ + ˙ = + G
issubg2.i ⊢ I = inv g ⁡ G
Assertion issubg2 ⊢ G ∈ Grp → S ∈ SubGrp ⁡ G ↔ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 issubg2.b ⊢ B = Base G
2 issubg2.p ⊢ + ˙ = + G
3 issubg2.i ⊢ I = inv g ⁡ G
4 1 subgss ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ⊆ B
5 eqid ⊢ G ↾ 𝑠 S = G ↾ 𝑠 S
6 5 subgbas ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → S = Base G ↾ 𝑠 S
7 5 subggrp ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → G ↾ 𝑠 S ∈ Grp
8 eqid ⊢ Base G ↾ 𝑠 S = Base G ↾ 𝑠 S
9 8 grpbn0 ⊢ G ↾ 𝑠 S ∈ Grp → Base G ↾ 𝑠 S ≠ ∅
10 7 9 syl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → Base G ↾ 𝑠 S ≠ ∅
11 6 10 eqnetrd ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ≠ ∅
12 2 subgcl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ S ∧ y ∈ S → x + ˙ y ∈ S
13 12 3expa ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ S ∧ y ∈ S → x + ˙ y ∈ S
14 13 ralrimiva ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ S → ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S
15 3 subginvcl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ S → I ⁡ x ∈ S
16 14 15 jca ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ S → ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S
17 16 ralrimiva ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S
18 4 11 17 3jca ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S
19 simpl ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → G ∈ Grp
20 simpr1 ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → S ⊆ B
21 5 1 ressbas2 ⊢ S ⊆ B → S = Base G ↾ 𝑠 S
22 20 21 syl ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → S = Base G ↾ 𝑠 S
23 fvex ⊢ Base G ↾ 𝑠 S ∈ V
24 22 23 eqeltrdi ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → S ∈ V
25 5 2 ressplusg ⊢ S ∈ V → + ˙ = + G ↾ 𝑠 S
26 24 25 syl ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → + ˙ = + G ↾ 𝑠 S
27 simpr3 ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S
28 simpl ⊢ ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S
29 28 ralimi ⊢ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S
30 27 29 syl ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S
31 oveq1 ⊢ x = u → x + ˙ y = u + ˙ y
32 31 eleq1d ⊢ x = u → x + ˙ y ∈ S ↔ u + ˙ y ∈ S
33 oveq2 ⊢ y = v → u + ˙ y = u + ˙ v
34 33 eleq1d ⊢ y = v → u + ˙ y ∈ S ↔ u + ˙ v ∈ S
35 32 34 rspc2v ⊢ u ∈ S ∧ v ∈ S → ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S → u + ˙ v ∈ S
36 30 35 syl5com ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → u ∈ S ∧ v ∈ S → u + ˙ v ∈ S
37 36 3impib ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S ∧ v ∈ S → u + ˙ v ∈ S
38 20 sseld ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → u ∈ S → u ∈ B
39 20 sseld ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → v ∈ S → v ∈ B
40 20 sseld ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → w ∈ S → w ∈ B
41 38 39 40 3anim123d ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → u ∈ S ∧ v ∈ S ∧ w ∈ S → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B
42 41 imp ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S ∧ v ∈ S ∧ w ∈ S → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B
43 1 2 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u + ˙ v + ˙ w = u + ˙ v + ˙ w
44 43 adantlr ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u + ˙ v + ˙ w = u + ˙ v + ˙ w
45 42 44 syldan ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S ∧ v ∈ S ∧ w ∈ S → u + ˙ v + ˙ w = u + ˙ v + ˙ w
46 simpr2 ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → S ≠ ∅
47 n0 ⊢ S ≠ ∅ ↔ ∃ u u ∈ S
48 46 47 sylib ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → ∃ u u ∈ S
49 20 sselda ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S → u ∈ B
50 eqid ⊢ 0 G = 0 G
51 1 2 50 3 grplinv ⊢ G ∈ Grp ∧ u ∈ B → I ⁡ u + ˙ u = 0 G
52 51 adantlr ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ B → I ⁡ u + ˙ u = 0 G
53 49 52 syldan ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S → I ⁡ u + ˙ u = 0 G
54 simpr ⊢ ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → I ⁡ x ∈ S
55 54 ralimi ⊢ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → ∀ x ∈ S I ⁡ x ∈ S
56 27 55 syl ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → ∀ x ∈ S I ⁡ x ∈ S
57 fveq2 ⊢ x = u → I ⁡ x = I ⁡ u
58 57 eleq1d ⊢ x = u → I ⁡ x ∈ S ↔ I ⁡ u ∈ S
59 58 rspccva ⊢ ∀ x ∈ S I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S → I ⁡ u ∈ S
60 56 59 sylan ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S → I ⁡ u ∈ S
61 simpr ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S → u ∈ S
62 30 adantr ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S → ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S
63 ovrspc2v ⊢ I ⁡ u ∈ S ∧ u ∈ S ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S → I ⁡ u + ˙ u ∈ S
64 60 61 62 63 syl21anc ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S → I ⁡ u + ˙ u ∈ S
65 53 64 eqeltrrd ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S → 0 G ∈ S
66 48 65 exlimddv ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → 0 G ∈ S
67 1 2 50 grplid ⊢ G ∈ Grp ∧ u ∈ B → 0 G + ˙ u = u
68 67 adantlr ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ B → 0 G + ˙ u = u
69 49 68 syldan ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S ∧ u ∈ S → 0 G + ˙ u = u
70 22 26 37 45 66 69 60 53 isgrpd ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → G ↾ 𝑠 S ∈ Grp
71 1 issubg ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ↔ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ G ↾ 𝑠 S ∈ Grp
72 19 20 70 71 syl3anbrc ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → S ∈ SubGrp ⁡ G
73 72 ex ⊢ G ∈ Grp → S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S → S ∈ SubGrp ⁡ G
74 18 73 impbid2 ⊢ G ∈ Grp → S ∈ SubGrp ⁡ G ↔ S ⊆ B ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ S ∀ y ∈ S x + ˙ y ∈ S ∧ I ⁡ x ∈ S