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Theorem subgint

Description: The intersection of a nonempty collection of subgroups is a subgroup. (Contributed by Mario Carneiro, 7-Dec-2014)

Ref Expression
Assertion subgint ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ⋂ S ∈ SubGrp ⁡ G

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 intssuni ⊢ S ≠ ∅ → ⋂ S ⊆ ⋃ S
2 1 adantl ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ⋂ S ⊆ ⋃ S
3 ssel2 ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ g ∈ S → g ∈ SubGrp ⁡ G
4 3 adantlr ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ g ∈ S → g ∈ SubGrp ⁡ G
5 eqid ⊢ Base G = Base G
6 5 subgss ⊢ g ∈ SubGrp ⁡ G → g ⊆ Base G
7 4 6 syl ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ g ∈ S → g ⊆ Base G
8 7 ralrimiva ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ∀ g ∈ S g ⊆ Base G
9 unissb ⊢ ⋃ S ⊆ Base G ↔ ∀ g ∈ S g ⊆ Base G
10 8 9 sylibr ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ⋃ S ⊆ Base G
11 2 10 sstrd ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ⋂ S ⊆ Base G
12 eqid ⊢ 0 G = 0 G
13 12 subg0cl ⊢ g ∈ SubGrp ⁡ G → 0 G ∈ g
14 4 13 syl ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ g ∈ S → 0 G ∈ g
15 14 ralrimiva ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ∀ g ∈ S 0 G ∈ g
16 fvex ⊢ 0 G ∈ V
17 16 elint2 ⊢ 0 G ∈ ⋂ S ↔ ∀ g ∈ S 0 G ∈ g
18 15 17 sylibr ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → 0 G ∈ ⋂ S
19 18 ne0d ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ⋂ S ≠ ∅
20 4 adantlr ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ y ∈ ⋂ S ∧ g ∈ S → g ∈ SubGrp ⁡ G
21 simprl ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ y ∈ ⋂ S → x ∈ ⋂ S
22 elinti ⊢ x ∈ ⋂ S → g ∈ S → x ∈ g
23 22 imp ⊢ x ∈ ⋂ S ∧ g ∈ S → x ∈ g
24 21 23 sylan ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ y ∈ ⋂ S ∧ g ∈ S → x ∈ g
25 simprr ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ y ∈ ⋂ S → y ∈ ⋂ S
26 elinti ⊢ y ∈ ⋂ S → g ∈ S → y ∈ g
27 26 imp ⊢ y ∈ ⋂ S ∧ g ∈ S → y ∈ g
28 25 27 sylan ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ y ∈ ⋂ S ∧ g ∈ S → y ∈ g
29 eqid ⊢ + G = + G
30 29 subgcl ⊢ g ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ g ∧ y ∈ g → x + G y ∈ g
31 20 24 28 30 syl3anc ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ y ∈ ⋂ S ∧ g ∈ S → x + G y ∈ g
32 31 ralrimiva ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ y ∈ ⋂ S → ∀ g ∈ S x + G y ∈ g
33 ovex ⊢ x + G y ∈ V
34 33 elint2 ⊢ x + G y ∈ ⋂ S ↔ ∀ g ∈ S x + G y ∈ g
35 32 34 sylibr ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ y ∈ ⋂ S → x + G y ∈ ⋂ S
36 35 anassrs ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ y ∈ ⋂ S → x + G y ∈ ⋂ S
37 36 ralrimiva ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S → ∀ y ∈ ⋂ S x + G y ∈ ⋂ S
38 4 adantlr ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ g ∈ S → g ∈ SubGrp ⁡ G
39 23 adantll ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ g ∈ S → x ∈ g
40 eqid ⊢ inv g ⁡ G = inv g ⁡ G
41 40 subginvcl ⊢ g ∈ SubGrp ⁡ G ∧ x ∈ g → inv g ⁡ G ⁡ x ∈ g
42 38 39 41 syl2anc ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S ∧ g ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ x ∈ g
43 42 ralrimiva ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S → ∀ g ∈ S inv g ⁡ G ⁡ x ∈ g
44 fvex ⊢ inv g ⁡ G ⁡ x ∈ V
45 44 elint2 ⊢ inv g ⁡ G ⁡ x ∈ ⋂ S ↔ ∀ g ∈ S inv g ⁡ G ⁡ x ∈ g
46 43 45 sylibr ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S → inv g ⁡ G ⁡ x ∈ ⋂ S
47 37 46 jca ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ ∧ x ∈ ⋂ S → ∀ y ∈ ⋂ S x + G y ∈ ⋂ S ∧ inv g ⁡ G ⁡ x ∈ ⋂ S
48 47 ralrimiva ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ∀ x ∈ ⋂ S ∀ y ∈ ⋂ S x + G y ∈ ⋂ S ∧ inv g ⁡ G ⁡ x ∈ ⋂ S
49 ssn0 ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → SubGrp ⁡ G ≠ ∅
50 n0 ⊢ SubGrp ⁡ G ≠ ∅ ↔ ∃ g g ∈ SubGrp ⁡ G
51 subgrcl ⊢ g ∈ SubGrp ⁡ G → G ∈ Grp
52 51 exlimiv ⊢ ∃ g g ∈ SubGrp ⁡ G → G ∈ Grp
53 50 52 sylbi ⊢ SubGrp ⁡ G ≠ ∅ → G ∈ Grp
54 5 29 40 issubg2 ⊢ G ∈ Grp → ⋂ S ∈ SubGrp ⁡ G ↔ ⋂ S ⊆ Base G ∧ ⋂ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ ⋂ S ∀ y ∈ ⋂ S x + G y ∈ ⋂ S ∧ inv g ⁡ G ⁡ x ∈ ⋂ S
55 49 53 54 3syl ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ⋂ S ∈ SubGrp ⁡ G ↔ ⋂ S ⊆ Base G ∧ ⋂ S ≠ ∅ ∧ ∀ x ∈ ⋂ S ∀ y ∈ ⋂ S x + G y ∈ ⋂ S ∧ inv g ⁡ G ⁡ x ∈ ⋂ S
56 11 19 48 55 mpbir3and ⊢ S ⊆ SubGrp ⁡ G ∧ S ≠ ∅ → ⋂ S ∈ SubGrp ⁡ G