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Theorem qustgphaus

Description: The quotient of a topological group by a closed normal subgroup is a Hausdorff topological group. In particular, the quotient by the closure of the identity is a Hausdorff topological group, isomorphic to both the Kolmogorov quotient and the Hausdorff quotient operations on topological spaces (because T0 and Hausdorff coincide for topological groups). (Contributed by Mario Carneiro, 22-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses qustgp.h ⊢ H = G / 𝑠 G ~ QG Y
qustgphaus.j ⊢ J = TopOpen ⁡ G
qustgphaus.k ⊢ K = TopOpen ⁡ H
Assertion qustgphaus ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → K ∈ Haus

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 qustgp.h ⊢ H = G / 𝑠 G ~ QG Y
2 qustgphaus.j ⊢ J = TopOpen ⁡ G
3 qustgphaus.k ⊢ K = TopOpen ⁡ H
4 eqid ⊢ 0 G = 0 G
5 1 4 qus0 ⊢ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G → 0 G G ~ QG Y = 0 H
6 5 3ad2ant2 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 G G ~ QG Y = 0 H
7 tgpgrp ⊢ G ∈ TopGrp → G ∈ Grp
8 7 3ad2ant1 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → G ∈ Grp
9 eqid ⊢ Base G = Base G
10 9 4 grpidcl ⊢ G ∈ Grp → 0 G ∈ Base G
11 8 10 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 G ∈ Base G
12 ovex ⊢ G ~ QG Y ∈ V
13 12 ecelqsi ⊢ 0 G ∈ Base G → 0 G G ~ QG Y ∈ Base G / G ~ QG Y
14 11 13 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 G G ~ QG Y ∈ Base G / G ~ QG Y
15 6 14 eqeltrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 H ∈ Base G / G ~ QG Y
16 15 snssd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 H ⊆ Base G / G ~ QG Y
17 eqid ⊢ x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y = x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y
18 17 mptpreima ⊢ x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y -1 0 H = x ∈ Base G | x G ~ QG Y ∈ 0 H
19 nsgsubg ⊢ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G → Y ∈ SubGrp ⁡ G
20 19 3ad2ant2 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → Y ∈ SubGrp ⁡ G
21 eqid ⊢ G ~ QG Y = G ~ QG Y
22 9 21 4 eqgid ⊢ Y ∈ SubGrp ⁡ G → 0 G G ~ QG Y = Y
23 20 22 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 G G ~ QG Y = Y
24 9 subgss ⊢ Y ∈ SubGrp ⁡ G → Y ⊆ Base G
25 20 24 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → Y ⊆ Base G
26 23 25 eqsstrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 G G ~ QG Y ⊆ Base G
27 sseqin2 ⊢ 0 G G ~ QG Y ⊆ Base G ↔ Base G ∩ 0 G G ~ QG Y = 0 G G ~ QG Y
28 26 27 sylib ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → Base G ∩ 0 G G ~ QG Y = 0 G G ~ QG Y
29 9 21 eqger ⊢ Y ∈ SubGrp ⁡ G → G ~ QG Y Er Base G
30 20 29 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → G ~ QG Y Er Base G
31 30 11 erth ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 G G ~ QG Y x ↔ 0 G G ~ QG Y = x G ~ QG Y
32 31 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ Base G → 0 G G ~ QG Y x ↔ 0 G G ~ QG Y = x G ~ QG Y
33 6 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ Base G → 0 G G ~ QG Y = 0 H
34 33 eqeq1d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ Base G → 0 G G ~ QG Y = x G ~ QG Y ↔ 0 H = x G ~ QG Y
35 32 34 bitrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ Base G → 0 G G ~ QG Y x ↔ 0 H = x G ~ QG Y
36 vex ⊢ x ∈ V
37 fvex ⊢ 0 G ∈ V
38 36 37 elec ⊢ x ∈ 0 G G ~ QG Y ↔ 0 G G ~ QG Y x
39 fvex ⊢ 0 H ∈ V
40 39 elsn2 ⊢ x G ~ QG Y ∈ 0 H ↔ x G ~ QG Y = 0 H
41 eqcom ⊢ x G ~ QG Y = 0 H ↔ 0 H = x G ~ QG Y
42 40 41 bitri ⊢ x G ~ QG Y ∈ 0 H ↔ 0 H = x G ~ QG Y
43 35 38 42 3bitr4g ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J ∧ x ∈ Base G → x ∈ 0 G G ~ QG Y ↔ x G ~ QG Y ∈ 0 H
44 43 rabbi2dva ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → Base G ∩ 0 G G ~ QG Y = x ∈ Base G | x G ~ QG Y ∈ 0 H
45 28 44 23 3eqtr3d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → x ∈ Base G | x G ~ QG Y ∈ 0 H = Y
46 18 45 eqtrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y -1 0 H = Y
47 simp3 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → Y ∈ Clsd ⁡ J
48 46 47 eqeltrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y -1 0 H ∈ Clsd ⁡ J
49 2 9 tgptopon ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ TopOn ⁡ Base G
50 49 3ad2ant1 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → J ∈ TopOn ⁡ Base G
51 1 a1i ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → H = G / 𝑠 G ~ QG Y
52 eqidd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → Base G = Base G
53 12 a1i ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → G ~ QG Y ∈ V
54 simp1 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → G ∈ TopGrp
55 51 52 17 53 54 quslem ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y : Base G ⟶ onto Base G / G ~ QG Y
56 qtopcld ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G ∧ x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y : Base G ⟶ onto Base G / G ~ QG Y → 0 H ∈ Clsd ⁡ J qTop x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y ↔ 0 H ⊆ Base G / G ~ QG Y ∧ x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y -1 0 H ∈ Clsd ⁡ J
57 50 55 56 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 H ∈ Clsd ⁡ J qTop x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y ↔ 0 H ⊆ Base G / G ~ QG Y ∧ x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y -1 0 H ∈ Clsd ⁡ J
58 16 48 57 mpbir2and ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 H ∈ Clsd ⁡ J qTop x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y
59 51 52 17 53 54 qusval ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → H = x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y “ 𝑠 G
60 59 52 55 54 2 3 imastopn ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → K = J qTop x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y
61 60 fveq2d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → Clsd ⁡ K = Clsd ⁡ J qTop x ∈ Base G ⟼ x G ~ QG Y
62 58 61 eleqtrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → 0 H ∈ Clsd ⁡ K
63 1 qustgp ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G → H ∈ TopGrp
64 63 3adant3 ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → H ∈ TopGrp
65 eqid ⊢ 0 H = 0 H
66 65 3 tgphaus ⊢ H ∈ TopGrp → K ∈ Haus ↔ 0 H ∈ Clsd ⁡ K
67 64 66 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → K ∈ Haus ↔ 0 H ∈ Clsd ⁡ K
68 62 67 mpbird ⊢ G ∈ TopGrp ∧ Y ∈ NrmSGrp ⁡ G ∧ Y ∈ Clsd ⁡ J → K ∈ Haus