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Theorem issubrg2

Description: Characterize the subrings of a ring by closure properties. (Contributed by Mario Carneiro, 3-Dec-2014)

Ref Expression
Hypotheses issubrg2.b ⊢ B = Base R
issubrg2.o ⊢ 1 ˙ = 1 R
issubrg2.t ⊢ · ˙ = ⋅ R
Assertion issubrg2 ⊢ R ∈ Ring → A ∈ SubRing ⁡ R ↔ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 issubrg2.b ⊢ B = Base R
2 issubrg2.o ⊢ 1 ˙ = 1 R
3 issubrg2.t ⊢ · ˙ = ⋅ R
4 subrgsubg ⊢ A ∈ SubRing ⁡ R → A ∈ SubGrp ⁡ R
5 2 subrg1cl ⊢ A ∈ SubRing ⁡ R → 1 ˙ ∈ A
6 3 subrgmcl ⊢ A ∈ SubRing ⁡ R ∧ x ∈ A ∧ y ∈ A → x · ˙ y ∈ A
7 6 3expb ⊢ A ∈ SubRing ⁡ R ∧ x ∈ A ∧ y ∈ A → x · ˙ y ∈ A
8 7 ralrimivva ⊢ A ∈ SubRing ⁡ R → ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A
9 4 5 8 3jca ⊢ A ∈ SubRing ⁡ R → A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A
10 simpl ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → R ∈ Ring
11 simpr1 ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → A ∈ SubGrp ⁡ R
12 eqid ⊢ R ↾ 𝑠 A = R ↾ 𝑠 A
13 12 subgbas ⊢ A ∈ SubGrp ⁡ R → A = Base R ↾ 𝑠 A
14 11 13 syl ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → A = Base R ↾ 𝑠 A
15 eqid ⊢ + R = + R
16 12 15 ressplusg ⊢ A ∈ SubGrp ⁡ R → + R = + R ↾ 𝑠 A
17 11 16 syl ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → + R = + R ↾ 𝑠 A
18 12 3 ressmulr ⊢ A ∈ SubGrp ⁡ R → · ˙ = ⋅ R ↾ 𝑠 A
19 11 18 syl ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → · ˙ = ⋅ R ↾ 𝑠 A
20 12 subggrp ⊢ A ∈ SubGrp ⁡ R → R ↾ 𝑠 A ∈ Grp
21 11 20 syl ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → R ↾ 𝑠 A ∈ Grp
22 simpr3 ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A
23 oveq1 ⊢ x = u → x · ˙ y = u · ˙ y
24 23 eleq1d ⊢ x = u → x · ˙ y ∈ A ↔ u · ˙ y ∈ A
25 oveq2 ⊢ y = v → u · ˙ y = u · ˙ v
26 25 eleq1d ⊢ y = v → u · ˙ y ∈ A ↔ u · ˙ v ∈ A
27 24 26 rspc2v ⊢ u ∈ A ∧ v ∈ A → ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → u · ˙ v ∈ A
28 22 27 syl5com ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → u ∈ A ∧ v ∈ A → u · ˙ v ∈ A
29 28 3impib ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ A ∧ v ∈ A → u · ˙ v ∈ A
30 1 subgss ⊢ A ∈ SubGrp ⁡ R → A ⊆ B
31 11 30 syl ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → A ⊆ B
32 31 sseld ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → u ∈ A → u ∈ B
33 31 sseld ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → v ∈ A → v ∈ B
34 31 sseld ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → w ∈ A → w ∈ B
35 32 33 34 3anim123d ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → u ∈ A ∧ v ∈ A ∧ w ∈ A → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B
36 35 imp ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ A ∧ v ∈ A ∧ w ∈ A → u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B
37 1 3 ringass ⊢ R ∈ Ring ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u · ˙ v · ˙ w = u · ˙ v · ˙ w
38 37 adantlr ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u · ˙ v · ˙ w = u · ˙ v · ˙ w
39 36 38 syldan ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ A ∧ v ∈ A ∧ w ∈ A → u · ˙ v · ˙ w = u · ˙ v · ˙ w
40 1 15 3 ringdi ⊢ R ∈ Ring ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u · ˙ v + R w = u · ˙ v + R u · ˙ w
41 40 adantlr ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u · ˙ v + R w = u · ˙ v + R u · ˙ w
42 36 41 syldan ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ A ∧ v ∈ A ∧ w ∈ A → u · ˙ v + R w = u · ˙ v + R u · ˙ w
43 1 15 3 ringdir ⊢ R ∈ Ring ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u + R v · ˙ w = u · ˙ w + R v · ˙ w
44 43 adantlr ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ B ∧ v ∈ B ∧ w ∈ B → u + R v · ˙ w = u · ˙ w + R v · ˙ w
45 36 44 syldan ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ A ∧ v ∈ A ∧ w ∈ A → u + R v · ˙ w = u · ˙ w + R v · ˙ w
46 simpr2 ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → 1 ˙ ∈ A
47 32 imp ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ A → u ∈ B
48 1 3 2 ringlidm ⊢ R ∈ Ring ∧ u ∈ B → 1 ˙ · ˙ u = u
49 48 adantlr ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ B → 1 ˙ · ˙ u = u
50 47 49 syldan ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ A → 1 ˙ · ˙ u = u
51 1 3 2 ringridm ⊢ R ∈ Ring ∧ u ∈ B → u · ˙ 1 ˙ = u
52 51 adantlr ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ B → u · ˙ 1 ˙ = u
53 47 52 syldan ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A ∧ u ∈ A → u · ˙ 1 ˙ = u
54 14 17 19 21 29 39 42 45 46 50 53 isringd ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → R ↾ 𝑠 A ∈ Ring
55 31 46 jca ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → A ⊆ B ∧ 1 ˙ ∈ A
56 1 2 issubrg ⊢ A ∈ SubRing ⁡ R ↔ R ∈ Ring ∧ R ↾ 𝑠 A ∈ Ring ∧ A ⊆ B ∧ 1 ˙ ∈ A
57 10 54 55 56 syl21anbrc ⊢ R ∈ Ring ∧ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → A ∈ SubRing ⁡ R
58 57 ex ⊢ R ∈ Ring → A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A → A ∈ SubRing ⁡ R
59 9 58 impbid2 ⊢ R ∈ Ring → A ∈ SubRing ⁡ R ↔ A ∈ SubGrp ⁡ R ∧ 1 ˙ ∈ A ∧ ∀ x ∈ A ∀ y ∈ A x · ˙ y ∈ A