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Theorem monsect

Description: If F is a monomorphism and G is a section of F , then G is an inverse of F and they are both isomorphisms. This is also stated as "a monomorphism which is also a split epimorphism is an isomorphism". (Contributed by Mario Carneiro, 3-Jan-2017)

Ref Expression
Hypotheses sectmon.b ⊢ B = Base C
sectmon.m ⊢ M = Mono ⁡ C
sectmon.s ⊢ S = Sect ⁡ C
sectmon.c ⊢ φ → C ∈ Cat
sectmon.x ⊢ φ → X ∈ B
sectmon.y ⊢ φ → Y ∈ B
monsect.n ⊢ N = Inv ⁡ C
monsect.1 ⊢ φ → F ∈ X M Y
monsect.2 ⊢ φ → G Y S X F
Assertion monsect ⊢ φ → F X N Y G

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 sectmon.b ⊢ B = Base C
2 sectmon.m ⊢ M = Mono ⁡ C
3 sectmon.s ⊢ S = Sect ⁡ C
4 sectmon.c ⊢ φ → C ∈ Cat
5 sectmon.x ⊢ φ → X ∈ B
6 sectmon.y ⊢ φ → Y ∈ B
7 monsect.n ⊢ N = Inv ⁡ C
8 monsect.1 ⊢ φ → F ∈ X M Y
9 monsect.2 ⊢ φ → G Y S X F
10 eqid ⊢ Hom ⁡ C = Hom ⁡ C
11 eqid ⊢ comp ⁡ C = comp ⁡ C
12 eqid ⊢ Id ⁡ C = Id ⁡ C
13 1 10 11 12 3 4 6 5 issect ⊢ φ → G Y S X F ↔ G ∈ Y Hom ⁡ C X ∧ F ∈ X Hom ⁡ C Y ∧ F Y X comp ⁡ C Y G = Id ⁡ C ⁡ Y
14 9 13 mpbid ⊢ φ → G ∈ Y Hom ⁡ C X ∧ F ∈ X Hom ⁡ C Y ∧ F Y X comp ⁡ C Y G = Id ⁡ C ⁡ Y
15 14 simp3d ⊢ φ → F Y X comp ⁡ C Y G = Id ⁡ C ⁡ Y
16 15 oveq1d ⊢ φ → F Y X comp ⁡ C Y G X Y comp ⁡ C Y F = Id ⁡ C ⁡ Y X Y comp ⁡ C Y F
17 14 simp2d ⊢ φ → F ∈ X Hom ⁡ C Y
18 14 simp1d ⊢ φ → G ∈ Y Hom ⁡ C X
19 1 10 11 4 5 6 5 17 18 6 17 catass ⊢ φ → F Y X comp ⁡ C Y G X Y comp ⁡ C Y F = F X X comp ⁡ C Y G X Y comp ⁡ C X F
20 1 10 12 4 5 11 6 17 catlid ⊢ φ → Id ⁡ C ⁡ Y X Y comp ⁡ C Y F = F
21 1 10 12 4 5 11 6 17 catrid ⊢ φ → F X X comp ⁡ C Y Id ⁡ C ⁡ X = F
22 20 21 eqtr4d ⊢ φ → Id ⁡ C ⁡ Y X Y comp ⁡ C Y F = F X X comp ⁡ C Y Id ⁡ C ⁡ X
23 16 19 22 3eqtr3d ⊢ φ → F X X comp ⁡ C Y G X Y comp ⁡ C X F = F X X comp ⁡ C Y Id ⁡ C ⁡ X
24 1 10 11 4 5 6 5 17 18 catcocl ⊢ φ → G X Y comp ⁡ C X F ∈ X Hom ⁡ C X
25 1 10 12 4 5 catidcl ⊢ φ → Id ⁡ C ⁡ X ∈ X Hom ⁡ C X
26 1 10 11 2 4 5 6 5 8 24 25 moni ⊢ φ → F X X comp ⁡ C Y G X Y comp ⁡ C X F = F X X comp ⁡ C Y Id ⁡ C ⁡ X ↔ G X Y comp ⁡ C X F = Id ⁡ C ⁡ X
27 23 26 mpbid ⊢ φ → G X Y comp ⁡ C X F = Id ⁡ C ⁡ X
28 1 10 11 12 3 4 5 6 17 18 issect2 ⊢ φ → F X S Y G ↔ G X Y comp ⁡ C X F = Id ⁡ C ⁡ X
29 27 28 mpbird ⊢ φ → F X S Y G
30 1 7 4 5 6 3 isinv ⊢ φ → F X N Y G ↔ F X S Y G ∧ G Y S X F
31 29 9 30 mpbir2and ⊢ φ → F X N Y G