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Theorem qtophmeo

Description: If two functions on a base topology J make the same identifications in order to create quotient spaces J qTop F and J qTop G , then not only are J qTop F and J qTop G homeomorphic, but there is a unique homeomorphism that makes the diagram commute. (Contributed by Mario Carneiro, 24-Mar-2015) (Proof shortened by Mario Carneiro, 23-Aug-2015)

Ref Expression
Hypotheses qtophmeo.2 ⊢ φ → J ∈ TopOn ⁡ X
qtophmeo.3 ⊢ φ → F : X ⟶ onto Y
qtophmeo.4 ⊢ φ → G : X ⟶ onto Y
qtophmeo.5 ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → F ⁡ x = F ⁡ y ↔ G ⁡ x = G ⁡ y
Assertion qtophmeo ⊢ φ → ∃! f ∈ J qTop F Homeo J qTop G G = f ∘ F

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 qtophmeo.2 ⊢ φ → J ∈ TopOn ⁡ X
2 qtophmeo.3 ⊢ φ → F : X ⟶ onto Y
3 qtophmeo.4 ⊢ φ → G : X ⟶ onto Y
4 qtophmeo.5 ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → F ⁡ x = F ⁡ y ↔ G ⁡ x = G ⁡ y
5 fofn ⊢ G : X ⟶ onto Y → G Fn X
6 3 5 syl ⊢ φ → G Fn X
7 qtopid ⊢ J ∈ TopOn ⁡ X ∧ G Fn X → G ∈ J Cn J qTop G
8 1 6 7 syl2anc ⊢ φ → G ∈ J Cn J qTop G
9 df-3an ⊢ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ F ⁡ x = F ⁡ y ↔ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ F ⁡ x = F ⁡ y
10 4 biimpd ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → F ⁡ x = F ⁡ y → G ⁡ x = G ⁡ y
11 10 impr ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ F ⁡ x = F ⁡ y → G ⁡ x = G ⁡ y
12 9 11 sylan2b ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ F ⁡ x = F ⁡ y → G ⁡ x = G ⁡ y
13 1 2 8 12 qtopeu ⊢ φ → ∃! f ∈ J qTop F Cn J qTop G G = f ∘ F
14 reurex ⊢ ∃! f ∈ J qTop F Cn J qTop G G = f ∘ F → ∃ f ∈ J qTop F Cn J qTop G G = f ∘ F
15 13 14 syl ⊢ φ → ∃ f ∈ J qTop F Cn J qTop G G = f ∘ F
16 simprl ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F → f ∈ J qTop F Cn J qTop G
17 fofn ⊢ F : X ⟶ onto Y → F Fn X
18 2 17 syl ⊢ φ → F Fn X
19 qtopid ⊢ J ∈ TopOn ⁡ X ∧ F Fn X → F ∈ J Cn J qTop F
20 1 18 19 syl2anc ⊢ φ → F ∈ J Cn J qTop F
21 df-3an ⊢ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ G ⁡ x = G ⁡ y ↔ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ G ⁡ x = G ⁡ y
22 4 biimprd ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → G ⁡ x = G ⁡ y → F ⁡ x = F ⁡ y
23 22 impr ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ G ⁡ x = G ⁡ y → F ⁡ x = F ⁡ y
24 21 23 sylan2b ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ G ⁡ x = G ⁡ y → F ⁡ x = F ⁡ y
25 1 3 20 24 qtopeu ⊢ φ → ∃! g ∈ J qTop G Cn J qTop F F = g ∘ G
26 25 adantr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F → ∃! g ∈ J qTop G Cn J qTop F F = g ∘ G
27 reurex ⊢ ∃! g ∈ J qTop G Cn J qTop F F = g ∘ G → ∃ g ∈ J qTop G Cn J qTop F F = g ∘ G
28 26 27 syl ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F → ∃ g ∈ J qTop G Cn J qTop F F = g ∘ G
29 qtoptopon ⊢ J ∈ TopOn ⁡ X ∧ F : X ⟶ onto Y → J qTop F ∈ TopOn ⁡ Y
30 1 2 29 syl2anc ⊢ φ → J qTop F ∈ TopOn ⁡ Y
31 30 ad2antrr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → J qTop F ∈ TopOn ⁡ Y
32 qtoptopon ⊢ J ∈ TopOn ⁡ X ∧ G : X ⟶ onto Y → J qTop G ∈ TopOn ⁡ Y
33 1 3 32 syl2anc ⊢ φ → J qTop G ∈ TopOn ⁡ Y
34 33 ad2antrr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → J qTop G ∈ TopOn ⁡ Y
35 simplrl ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → f ∈ J qTop F Cn J qTop G
36 cnf2 ⊢ J qTop F ∈ TopOn ⁡ Y ∧ J qTop G ∈ TopOn ⁡ Y ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G → f : Y ⟶ Y
37 31 34 35 36 syl3anc ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → f : Y ⟶ Y
38 simprl ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → g ∈ J qTop G Cn J qTop F
39 cnf2 ⊢ J qTop G ∈ TopOn ⁡ Y ∧ J qTop F ∈ TopOn ⁡ Y ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F → g : Y ⟶ Y
40 34 31 38 39 syl3anc ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → g : Y ⟶ Y
41 coeq1 ⊢ h = g ∘ f → h ∘ F = g ∘ f ∘ F
42 41 eqeq2d ⊢ h = g ∘ f → F = h ∘ F ↔ F = g ∘ f ∘ F
43 coeq1 ⊢ h = I ↾ Y → h ∘ F = I ↾ Y ∘ F
44 43 eqeq2d ⊢ h = I ↾ Y → F = h ∘ F ↔ F = I ↾ Y ∘ F
45 simpr3 ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ F ⁡ x = F ⁡ y → F ⁡ x = F ⁡ y
46 1 2 20 45 qtopeu ⊢ φ → ∃! h ∈ J qTop F Cn J qTop F F = h ∘ F
47 46 ad2antrr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → ∃! h ∈ J qTop F Cn J qTop F F = h ∘ F
48 cnco ⊢ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F → g ∘ f ∈ J qTop F Cn J qTop F
49 35 38 48 syl2anc ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → g ∘ f ∈ J qTop F Cn J qTop F
50 idcn ⊢ J qTop F ∈ TopOn ⁡ Y → I ↾ Y ∈ J qTop F Cn J qTop F
51 30 50 syl ⊢ φ → I ↾ Y ∈ J qTop F Cn J qTop F
52 51 ad2antrr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → I ↾ Y ∈ J qTop F Cn J qTop F
53 simprr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → F = g ∘ G
54 simplrr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → G = f ∘ F
55 54 coeq2d ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → g ∘ G = g ∘ f ∘ F
56 53 55 eqtrd ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → F = g ∘ f ∘ F
57 coass ⊢ g ∘ f ∘ F = g ∘ f ∘ F
58 56 57 eqtr4di ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → F = g ∘ f ∘ F
59 fof ⊢ F : X ⟶ onto Y → F : X ⟶ Y
60 2 59 syl ⊢ φ → F : X ⟶ Y
61 60 ad2antrr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → F : X ⟶ Y
62 fcoi2 ⊢ F : X ⟶ Y → I ↾ Y ∘ F = F
63 61 62 syl ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → I ↾ Y ∘ F = F
64 63 eqcomd ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → F = I ↾ Y ∘ F
65 42 44 47 49 52 58 64 reu2eqd ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → g ∘ f = I ↾ Y
66 coeq1 ⊢ h = f ∘ g → h ∘ G = f ∘ g ∘ G
67 66 eqeq2d ⊢ h = f ∘ g → G = h ∘ G ↔ G = f ∘ g ∘ G
68 coeq1 ⊢ h = I ↾ Y → h ∘ G = I ↾ Y ∘ G
69 68 eqeq2d ⊢ h = I ↾ Y → G = h ∘ G ↔ G = I ↾ Y ∘ G
70 simpr3 ⊢ φ ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X ∧ G ⁡ x = G ⁡ y → G ⁡ x = G ⁡ y
71 1 3 8 70 qtopeu ⊢ φ → ∃! h ∈ J qTop G Cn J qTop G G = h ∘ G
72 71 ad2antrr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → ∃! h ∈ J qTop G Cn J qTop G G = h ∘ G
73 cnco ⊢ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G → f ∘ g ∈ J qTop G Cn J qTop G
74 38 35 73 syl2anc ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → f ∘ g ∈ J qTop G Cn J qTop G
75 idcn ⊢ J qTop G ∈ TopOn ⁡ Y → I ↾ Y ∈ J qTop G Cn J qTop G
76 33 75 syl ⊢ φ → I ↾ Y ∈ J qTop G Cn J qTop G
77 76 ad2antrr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → I ↾ Y ∈ J qTop G Cn J qTop G
78 53 coeq2d ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → f ∘ F = f ∘ g ∘ G
79 54 78 eqtrd ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → G = f ∘ g ∘ G
80 coass ⊢ f ∘ g ∘ G = f ∘ g ∘ G
81 79 80 eqtr4di ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → G = f ∘ g ∘ G
82 fof ⊢ G : X ⟶ onto Y → G : X ⟶ Y
83 3 82 syl ⊢ φ → G : X ⟶ Y
84 83 ad2antrr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → G : X ⟶ Y
85 fcoi2 ⊢ G : X ⟶ Y → I ↾ Y ∘ G = G
86 84 85 syl ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → I ↾ Y ∘ G = G
87 86 eqcomd ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → G = I ↾ Y ∘ G
88 67 69 72 74 77 81 87 reu2eqd ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → f ∘ g = I ↾ Y
89 37 40 65 88 2fcoidinvd ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → f -1 = g
90 89 38 eqeltrd ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F ∧ g ∈ J qTop G Cn J qTop F ∧ F = g ∘ G → f -1 ∈ J qTop G Cn J qTop F
91 28 90 rexlimddv ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F → f -1 ∈ J qTop G Cn J qTop F
92 ishmeo ⊢ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ↔ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ f -1 ∈ J qTop G Cn J qTop F
93 16 91 92 sylanbrc ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F → f ∈ J qTop F Homeo J qTop G
94 simprr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Cn J qTop G ∧ G = f ∘ F → G = f ∘ F
95 15 93 94 reximssdv ⊢ φ → ∃ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G G = f ∘ F
96 eqtr2 ⊢ G = f ∘ F ∧ G = g ∘ F → f ∘ F = g ∘ F
97 2 adantr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → F : X ⟶ onto Y
98 30 adantr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → J qTop F ∈ TopOn ⁡ Y
99 33 adantr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → J qTop G ∈ TopOn ⁡ Y
100 simprl ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → f ∈ J qTop F Homeo J qTop G
101 hmeof1o2 ⊢ J qTop F ∈ TopOn ⁡ Y ∧ J qTop G ∈ TopOn ⁡ Y ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G → f : Y ⟶ 1-1 onto Y
102 98 99 100 101 syl3anc ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → f : Y ⟶ 1-1 onto Y
103 f1ofn ⊢ f : Y ⟶ 1-1 onto Y → f Fn Y
104 102 103 syl ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → f Fn Y
105 simprr ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → g ∈ J qTop F Homeo J qTop G
106 hmeof1o2 ⊢ J qTop F ∈ TopOn ⁡ Y ∧ J qTop G ∈ TopOn ⁡ Y ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → g : Y ⟶ 1-1 onto Y
107 98 99 105 106 syl3anc ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → g : Y ⟶ 1-1 onto Y
108 f1ofn ⊢ g : Y ⟶ 1-1 onto Y → g Fn Y
109 107 108 syl ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → g Fn Y
110 cocan2 ⊢ F : X ⟶ onto Y ∧ f Fn Y ∧ g Fn Y → f ∘ F = g ∘ F ↔ f = g
111 97 104 109 110 syl3anc ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → f ∘ F = g ∘ F ↔ f = g
112 96 111 imbitrid ⊢ φ ∧ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∧ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G → G = f ∘ F ∧ G = g ∘ F → f = g
113 112 ralrimivva ⊢ φ → ∀ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∀ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G G = f ∘ F ∧ G = g ∘ F → f = g
114 coeq1 ⊢ f = g → f ∘ F = g ∘ F
115 114 eqeq2d ⊢ f = g → G = f ∘ F ↔ G = g ∘ F
116 115 reu4 ⊢ ∃! f ∈ J qTop F Homeo J qTop G G = f ∘ F ↔ ∃ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G G = f ∘ F ∧ ∀ f ∈ J qTop F Homeo J qTop G ∀ g ∈ J qTop F Homeo J qTop G G = f ∘ F ∧ G = g ∘ F → f = g
117 95 113 116 sylanbrc ⊢ φ → ∃! f ∈ J qTop F Homeo J qTop G G = f ∘ F