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Theorem opnsubg

Description: An open subgroup of a topological group is also closed. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Sep-2015)

Ref Expression
Hypothesis subgntr.h ⊢ J = TopOpen ⁡ G
Assertion opnsubg ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → S ∈ Clsd ⁡ J

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 subgntr.h ⊢ J = TopOpen ⁡ G
2 eqid ⊢ Base G = Base G
3 2 subgss ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → S ⊆ Base G
4 3 3ad2ant2 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → S ⊆ Base G
5 1 2 tgptopon ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ TopOn ⁡ Base G
6 5 3ad2ant1 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → J ∈ TopOn ⁡ Base G
7 toponuni ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G → Base G = ⋃ J
8 6 7 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → Base G = ⋃ J
9 4 8 sseqtrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → S ⊆ ⋃ J
10 8 difeq1d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → Base G ∖ S = ⋃ J ∖ S
11 df-ima ⊢ y ∈ Base G ⟼ x + G y S = ran ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y ↾ S
12 4 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → S ⊆ Base G
13 12 resmptd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → y ∈ Base G ⟼ x + G y ↾ S = y ∈ S ⟼ x + G y
14 13 rneqd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → ran ⁡ y ∈ Base G ⟼ x + G y ↾ S = ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y
15 11 14 eqtrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → y ∈ Base G ⟼ x + G y S = ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y
16 simpl1 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → G ∈ TopGrp
17 eldifi ⊢ x ∈ Base G ∖ S → x ∈ Base G
18 17 adantl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → x ∈ Base G
19 eqid ⊢ y ∈ Base G ⟼ x + G y = y ∈ Base G ⟼ x + G y
20 eqid ⊢ + G = + G
21 19 2 20 1 tgplacthmeo ⊢ G ∈ TopGrp ∧ x ∈ Base G → y ∈ Base G ⟼ x + G y ∈ J Homeo J
22 16 18 21 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → y ∈ Base G ⟼ x + G y ∈ J Homeo J
23 simpl3 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → S ∈ J
24 hmeoima ⊢ y ∈ Base G ⟼ x + G y ∈ J Homeo J ∧ S ∈ J → y ∈ Base G ⟼ x + G y S ∈ J
25 22 23 24 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → y ∈ Base G ⟼ x + G y S ∈ J
26 15 25 eqeltrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y ∈ J
27 tgpgrp ⊢ G ∈ TopGrp → G ∈ Grp
28 16 27 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → G ∈ Grp
29 eqid ⊢ 0 G = 0 G
30 2 20 29 grprid ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ Base G → x + G 0 G = x
31 28 18 30 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → x + G 0 G = x
32 simpl2 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → S ∈ SubGrp ⁡ G
33 29 subg0cl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G → 0 G ∈ S
34 32 33 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → 0 G ∈ S
35 ovex ⊢ x + G 0 G ∈ V
36 eqid ⊢ y ∈ S ⟼ x + G y = y ∈ S ⟼ x + G y
37 oveq2 ⊢ y = 0 G → x + G y = x + G 0 G
38 36 37 elrnmpt1s ⊢ 0 G ∈ S ∧ x + G 0 G ∈ V → x + G 0 G ∈ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y
39 34 35 38 sylancl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → x + G 0 G ∈ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y
40 31 39 eqeltrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → x ∈ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y
41 28 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → G ∈ Grp
42 18 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → x ∈ Base G
43 12 sselda ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → y ∈ Base G
44 2 20 grpcl ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G → x + G y ∈ Base G
45 41 42 43 44 syl3anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → x + G y ∈ Base G
46 eldifn ⊢ x ∈ Base G ∖ S → ¬ x ∈ S
47 46 ad2antlr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → ¬ x ∈ S
48 eqid ⊢ - G = - G
49 48 subgsubcl ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x + G y ∈ S ∧ y ∈ S → x + G y - G y ∈ S
50 49 3com23 ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y ∈ S ∧ x + G y ∈ S → x + G y - G y ∈ S
51 50 3expia ⊢ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ y ∈ S → x + G y ∈ S → x + G y - G y ∈ S
52 32 51 sylan ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → x + G y ∈ S → x + G y - G y ∈ S
53 2 20 48 grppncan ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G → x + G y - G y = x
54 41 42 43 53 syl3anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → x + G y - G y = x
55 54 eleq1d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → x + G y - G y ∈ S ↔ x ∈ S
56 52 55 sylibd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → x + G y ∈ S → x ∈ S
57 47 56 mtod ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → ¬ x + G y ∈ S
58 45 57 eldifd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S ∧ y ∈ S → x + G y ∈ Base G ∖ S
59 58 fmpttd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → y ∈ S ⟼ x + G y : S ⟶ Base G ∖ S
60 59 frnd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y ⊆ Base G ∖ S
61 eleq2 ⊢ u = ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y → x ∈ u ↔ x ∈ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y
62 sseq1 ⊢ u = ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y → u ⊆ Base G ∖ S ↔ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y ⊆ Base G ∖ S
63 61 62 anbi12d ⊢ u = ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y → x ∈ u ∧ u ⊆ Base G ∖ S ↔ x ∈ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y ∧ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y ⊆ Base G ∖ S
64 63 rspcev ⊢ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y ∈ J ∧ x ∈ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y ∧ ran ⁡ y ∈ S ⟼ x + G y ⊆ Base G ∖ S → ∃ u ∈ J x ∈ u ∧ u ⊆ Base G ∖ S
65 26 40 60 64 syl12anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J ∧ x ∈ Base G ∖ S → ∃ u ∈ J x ∈ u ∧ u ⊆ Base G ∖ S
66 65 ralrimiva ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → ∀ x ∈ Base G ∖ S ∃ u ∈ J x ∈ u ∧ u ⊆ Base G ∖ S
67 topontop ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G → J ∈ Top
68 6 67 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → J ∈ Top
69 eltop2 ⊢ J ∈ Top → Base G ∖ S ∈ J ↔ ∀ x ∈ Base G ∖ S ∃ u ∈ J x ∈ u ∧ u ⊆ Base G ∖ S
70 68 69 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → Base G ∖ S ∈ J ↔ ∀ x ∈ Base G ∖ S ∃ u ∈ J x ∈ u ∧ u ⊆ Base G ∖ S
71 66 70 mpbird ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → Base G ∖ S ∈ J
72 10 71 eqeltrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → ⋃ J ∖ S ∈ J
73 eqid ⊢ ⋃ J = ⋃ J
74 73 iscld ⊢ J ∈ Top → S ∈ Clsd ⁡ J ↔ S ⊆ ⋃ J ∧ ⋃ J ∖ S ∈ J
75 68 74 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → S ∈ Clsd ⁡ J ↔ S ⊆ ⋃ J ∧ ⋃ J ∖ S ∈ J
76 9 72 75 mpbir2and ⊢ G ∈ TopGrp ∧ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ S ∈ J → S ∈ Clsd ⁡ J