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Theorem rlocisunit

Description: Characterize the units of the localization L of a ring R at S as the elements with a "numerator" P in the saturation T of S . (Contributed by Thierry Arnoux, 6-Jun-2026)

Ref Expression
Hypotheses rlocisunit.b B = Base R
rlocisunit.m · ˙ = R
rlocisunit.l L = R RLocal S
rlocisunit.w W = Unit L
rlocisunit.r φ R CRing
rlocisunit.s φ S SubMnd mulGrp R
rlocisunit.e ˙ = R ~RL S
rlocisunit.p φ P B
rlocisunit.q φ Q S
rlocisunit.t T = r B | s B r · ˙ s S
Assertion rlocisunit φ P Q ˙ W P T

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rlocisunit.b B = Base R
2 rlocisunit.m · ˙ = R
3 rlocisunit.l L = R RLocal S
4 rlocisunit.w W = Unit L
5 rlocisunit.r φ R CRing
6 rlocisunit.s φ S SubMnd mulGrp R
7 rlocisunit.e ˙ = R ~RL S
8 rlocisunit.p φ P B
9 rlocisunit.q φ Q S
10 rlocisunit.t T = r B | s B r · ˙ s S
11 10 eleq2i P T P r B | s B r · ˙ s S
12 oveq1 r = P r · ˙ s = P · ˙ s
13 12 eleq1d r = P r · ˙ s S P · ˙ s S
14 13 rexbidv r = P s B r · ˙ s S s B P · ˙ s S
15 14 elrab P r B | s B r · ˙ s S P B s B P · ˙ s S
16 11 15 bitri P T P B s B P · ˙ s S
17 8 biantrurd φ s B P · ˙ s S P B s B P · ˙ s S
18 16 17 bitr4id φ P T s B P · ˙ s S
19 eqid Base L = Base L
20 eqid L = L
21 eqid 1 L = 1 L
22 eqid mulGrp R = mulGrp R
23 eqid 1 R = 1 R
24 22 23 ringidval 1 R = 0 mulGrp R
25 24 subm0cl S SubMnd mulGrp R 1 R S
26 6 25 syl φ 1 R S
27 8 26 opelxpd φ P 1 R B × S
28 7 ovexi ˙ V
29 28 ecelqsi P 1 R B × S P 1 R ˙ B × S / ˙
30 27 29 syl φ P 1 R ˙ B × S / ˙
31 eqid 0 R = 0 R
32 eqid - R = - R
33 eqid B × S = B × S
34 22 1 mgpbas B = Base mulGrp R
35 34 submss S SubMnd mulGrp R S B
36 6 35 syl φ S B
37 1 31 2 32 33 3 7 5 36 rlocbas φ B × S / ˙ = Base L
38 30 37 eleqtrd φ P 1 R ˙ Base L
39 eqid + R = + R
40 1 2 39 3 7 5 6 rloccring φ L CRing
41 19 4 20 21 38 40 isunitc φ P 1 R ˙ W x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L
42 5 crngringd φ R Ring
43 42 ad7antr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s R Ring
44 36 ad7antr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s S B
45 simplr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s t S
46 44 45 sseldd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s t B
47 simpllr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ r B
48 47 ad2antrr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s r B
49 1 2 43 46 48 ringcld φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s t · ˙ r B
50 oveq2 u = t · ˙ r P · ˙ u = P · ˙ t · ˙ r
51 50 eleq1d u = t · ˙ r P · ˙ u S P · ˙ t · ˙ r S
52 51 adantl φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s u = t · ˙ r P · ˙ u S P · ˙ t · ˙ r S
53 5 ad7antr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s R CRing
54 8 ad7antr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s P B
55 1 2 53 54 46 48 crng12d φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s P · ˙ t · ˙ r = t · ˙ P · ˙ r
56 1 2 43 54 48 ringcld φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s P · ˙ r B
57 1 2 23 43 56 ringridmd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s P · ˙ r · ˙ 1 R = P · ˙ r
58 57 oveq2d φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ P · ˙ r
59 55 58 eqtr4d φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s P · ˙ t · ˙ r = t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R
60 simpr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s
61 36 26 sseldd φ 1 R B
62 61 ad7antr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s 1 R B
63 simplr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ s S
64 63 ad2antrr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s s S
65 44 64 sseldd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s s B
66 1 2 43 62 65 ringcld φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s 1 R · ˙ s B
67 1 2 23 43 66 ringlidmd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s 1 R · ˙ 1 R · ˙ s = 1 R · ˙ s
68 1 2 23 43 65 ringlidmd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s 1 R · ˙ s = s
69 67 68 eqtrd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s 1 R · ˙ 1 R · ˙ s = s
70 69 oveq2d φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s = t · ˙ s
71 59 60 70 3eqtrd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s P · ˙ t · ˙ r = t · ˙ s
72 22 2 mgpplusg · ˙ = + mulGrp R
73 6 ad7antr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s S SubMnd mulGrp R
74 72 73 45 64 submcld φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s t · ˙ s S
75 71 74 eqeltrd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s P · ˙ t · ˙ r S
76 49 52 75 rspcedvd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s u B P · ˙ u S
77 simp-5l φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ φ
78 simpr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ x = r s ˙
79 78 oveq2d φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ P 1 R ˙ L x = P 1 R ˙ L r s ˙
80 simp-4r φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ P 1 R ˙ L x = 1 L
81 5 ad2antrr φ r B s S R CRing
82 6 ad2antrr φ r B s S S SubMnd mulGrp R
83 8 ad2antrr φ r B s S P B
84 simplr φ r B s S r B
85 82 25 syl φ r B s S 1 R S
86 simpr φ r B s S s S
87 1 2 39 3 7 81 82 83 84 85 86 20 rlocmulval φ r B s S P 1 R ˙ L r s ˙ = P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙
88 77 47 63 87 syl21anc φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ P 1 R ˙ L r s ˙ = P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙
89 79 80 88 3eqtr3rd φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 L
90 eqid 1 R 1 R ˙ = 1 R 1 R ˙
91 31 23 3 7 5 6 90 rloc1r φ 1 R 1 R ˙ = 1 L
92 91 ad5antr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ 1 R 1 R ˙ = 1 L
93 89 92 eqtr4d φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙
94 81 adantr φ r B s S P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙ R CRing
95 82 adantr φ r B s S P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙ S SubMnd mulGrp R
96 42 ad2antrr φ r B s S R Ring
97 1 2 96 83 84 ringcld φ r B s S P · ˙ r B
98 97 adantr φ r B s S P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙ P · ˙ r B
99 72 82 85 86 submcld φ r B s S 1 R · ˙ s S
100 99 adantr φ r B s S P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙ 1 R · ˙ s S
101 61 ad3antrrr φ r B s S P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙ 1 R B
102 95 25 syl φ r B s S P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙ 1 R S
103 simpr φ r B s S P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙ P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙
104 1 7 2 94 95 98 100 101 102 103 erld2 φ r B s S P · ˙ r 1 R · ˙ s ˙ = 1 R 1 R ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s
105 77 47 63 93 104 syl1111anc φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ t S t · ˙ P · ˙ r · ˙ 1 R = t · ˙ 1 R · ˙ 1 R · ˙ s
106 76 105 r19.29a φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ u B P · ˙ u S
107 106 r19.29an φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙ u B P · ˙ u S
108 37 eleq2d φ x B × S / ˙ x Base L
109 108 biimpar φ x Base L x B × S / ˙
110 109 adantr φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L x B × S / ˙
111 110 elrlocbasi φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L r B s S x = r s ˙
112 107 111 r19.29a φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L u B P · ˙ u S
113 112 r19.29an φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L u B P · ˙ u S
114 simplr φ u B P · ˙ u S u B
115 simpr φ u B P · ˙ u S P · ˙ u S
116 114 115 opelxpd φ u B P · ˙ u S u P · ˙ u B × S
117 28 ecelqsi u P · ˙ u B × S u P · ˙ u ˙ B × S / ˙
118 116 117 syl φ u B P · ˙ u S u P · ˙ u ˙ B × S / ˙
119 37 ad2antrr φ u B P · ˙ u S B × S / ˙ = Base L
120 118 119 eleqtrd φ u B P · ˙ u S u P · ˙ u ˙ Base L
121 oveq2 x = u P · ˙ u ˙ P 1 R ˙ L x = P 1 R ˙ L u P · ˙ u ˙
122 121 eqeq1d x = u P · ˙ u ˙ P 1 R ˙ L x = 1 L P 1 R ˙ L u P · ˙ u ˙ = 1 L
123 122 adantl φ u B P · ˙ u S x = u P · ˙ u ˙ P 1 R ˙ L x = 1 L P 1 R ˙ L u P · ˙ u ˙ = 1 L
124 5 ad2antrr φ u B P · ˙ u S R CRing
125 6 ad2antrr φ u B P · ˙ u S S SubMnd mulGrp R
126 8 ad2antrr φ u B P · ˙ u S P B
127 125 25 syl φ u B P · ˙ u S 1 R S
128 1 2 39 3 7 124 125 126 114 127 115 20 rlocmulval φ u B P · ˙ u S P 1 R ˙ L u P · ˙ u ˙ = P · ˙ u 1 R · ˙ P · ˙ u ˙
129 1 31 23 2 32 33 7 5 6 erler φ ˙ Er B × S
130 129 ad2antrr φ u B P · ˙ u S ˙ Er B × S
131 eqidd φ u B P · ˙ u S 1 R 1 R = 1 R 1 R
132 eqidd φ u B P · ˙ u S P · ˙ u = P · ˙ u
133 42 ad2antrr φ u B P · ˙ u S R Ring
134 1 2 133 126 114 ringcld φ u B P · ˙ u S P · ˙ u B
135 1 2 23 133 134 ringlidmd φ u B P · ˙ u S 1 R · ˙ P · ˙ u = P · ˙ u
136 132 135 opeq12d φ u B P · ˙ u S P · ˙ u 1 R · ˙ P · ˙ u = P · ˙ u P · ˙ u
137 61 ad2antrr φ u B P · ˙ u S 1 R B
138 1 2 23 133 134 ringridmd φ u B P · ˙ u S P · ˙ u · ˙ 1 R = P · ˙ u
139 138 eqcomd φ u B P · ˙ u S P · ˙ u = P · ˙ u · ˙ 1 R
140 1 7 124 125 2 131 136 137 134 127 115 115 139 139 erlbr2d φ u B P · ˙ u S 1 R 1 R ˙ P · ˙ u 1 R · ˙ P · ˙ u
141 130 140 erthi φ u B P · ˙ u S 1 R 1 R ˙ = P · ˙ u 1 R · ˙ P · ˙ u ˙
142 31 23 3 7 124 125 90 rloc1r φ u B P · ˙ u S 1 R 1 R ˙ = 1 L
143 128 141 142 3eqtr2d φ u B P · ˙ u S P 1 R ˙ L u P · ˙ u ˙ = 1 L
144 120 123 143 rspcedvd φ u B P · ˙ u S x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L
145 144 r19.29an φ u B P · ˙ u S x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L
146 113 145 impbida φ x Base L P 1 R ˙ L x = 1 L u B P · ˙ u S
147 oveq2 u = s P · ˙ u = P · ˙ s
148 147 eleq1d u = s P · ˙ u S P · ˙ s S
149 148 cbvrexvw u B P · ˙ u S s B P · ˙ s S
150 149 a1i φ u B P · ˙ u S s B P · ˙ s S
151 41 146 150 3bitrd φ P 1 R ˙ W s B P · ˙ s S
152 5 adantr φ Q S R CRing
153 6 adantr φ Q S S SubMnd mulGrp R
154 simpr φ Q S Q S
155 1 23 7 3 4 152 153 154 rlocinvunit φ Q S 1 R Q ˙ W
156 9 155 mpdan φ 1 R Q ˙ W
157 156 biantrud φ P 1 R ˙ W P 1 R ˙ W 1 R Q ˙ W
158 1 2 39 3 7 5 6 8 61 26 9 20 rlocmulval φ P 1 R ˙ L 1 R Q ˙ = P · ˙ 1 R 1 R · ˙ Q ˙
159 1 2 23 42 8 ringridmd φ P · ˙ 1 R = P
160 36 9 sseldd φ Q B
161 1 2 23 42 160 ringlidmd φ 1 R · ˙ Q = Q
162 159 161 opeq12d φ P · ˙ 1 R 1 R · ˙ Q = P Q
163 162 eceq1d φ P · ˙ 1 R 1 R · ˙ Q ˙ = P Q ˙
164 158 163 eqtrd φ P 1 R ˙ L 1 R Q ˙ = P Q ˙
165 164 eleq1d φ P 1 R ˙ L 1 R Q ˙ W P Q ˙ W
166 61 9 opelxpd φ 1 R Q B × S
167 28 ecelqsi 1 R Q B × S 1 R Q ˙ B × S / ˙
168 166 167 syl φ 1 R Q ˙ B × S / ˙
169 168 37 eleqtrd φ 1 R Q ˙ Base L
170 4 20 19 unitmulclb L CRing P 1 R ˙ Base L 1 R Q ˙ Base L P 1 R ˙ L 1 R Q ˙ W P 1 R ˙ W 1 R Q ˙ W
171 40 38 169 170 syl3anc φ P 1 R ˙ L 1 R Q ˙ W P 1 R ˙ W 1 R Q ˙ W
172 165 171 bitr3d φ P Q ˙ W P 1 R ˙ W 1 R Q ˙ W
173 157 172 bitr4d φ P 1 R ˙ W P Q ˙ W
174 18 151 173 3bitr2rd φ P Q ˙ W P T