Metamath Proof Explorer


Theorem tgpconncomp

Description: The identity component, the connected component containing the identity element, is a closed ( conncompcld ) normal subgroup. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses tgpconncomp.x ⊢ X = Base G
tgpconncomp.z ⊢ 0 ˙ = 0 G
tgpconncomp.j ⊢ J = TopOpen ⁡ G
tgpconncomp.s ⊢ S = ⋃ x ∈ 𝒫 X | 0 ˙ ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn
Assertion tgpconncomp ⊢ G ∈ TopGrp → S ∈ NrmSGrp ⁡ G

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 tgpconncomp.x ⊢ X = Base G
2 tgpconncomp.z ⊢ 0 ˙ = 0 G
3 tgpconncomp.j ⊢ J = TopOpen ⁡ G
4 tgpconncomp.s ⊢ S = ⋃ x ∈ 𝒫 X | 0 ˙ ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn
5 ssrab2 ⊢ x ∈ 𝒫 X | 0 ˙ ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn ⊆ 𝒫 X
6 sspwuni ⊢ x ∈ 𝒫 X | 0 ˙ ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn ⊆ 𝒫 X ↔ ⋃ x ∈ 𝒫 X | 0 ˙ ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn ⊆ X
7 5 6 mpbi ⊢ ⋃ x ∈ 𝒫 X | 0 ˙ ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn ⊆ X
8 4 7 eqsstri ⊢ S ⊆ X
9 8 a1i ⊢ G ∈ TopGrp → S ⊆ X
10 3 1 tgptopon ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ TopOn ⁡ X
11 tgpgrp ⊢ G ∈ TopGrp → G ∈ Grp
12 1 2 grpidcl ⊢ G ∈ Grp → 0 ˙ ∈ X
13 11 12 syl ⊢ G ∈ TopGrp → 0 ˙ ∈ X
14 4 conncompid ⊢ J ∈ TopOn ⁡ X ∧ 0 ˙ ∈ X → 0 ˙ ∈ S
15 10 13 14 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp → 0 ˙ ∈ S
16 15 ne0d ⊢ G ∈ TopGrp → S ≠ ∅
17 df-ima ⊢ z ∈ X ⟼ y - G z S = ran ⁡ z ∈ X ⟼ y - G z ↾ S
18 resmpt ⊢ S ⊆ X → z ∈ X ⟼ y - G z ↾ S = z ∈ S ⟼ y - G z
19 8 18 ax-mp ⊢ z ∈ X ⟼ y - G z ↾ S = z ∈ S ⟼ y - G z
20 19 rneqi ⊢ ran ⁡ z ∈ X ⟼ y - G z ↾ S = ran ⁡ z ∈ S ⟼ y - G z
21 17 20 eqtri ⊢ z ∈ X ⟼ y - G z S = ran ⁡ z ∈ S ⟼ y - G z
22 imassrn ⊢ z ∈ X ⟼ y - G z S ⊆ ran ⁡ z ∈ X ⟼ y - G z
23 11 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → G ∈ Grp
24 23 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S ∧ z ∈ X → G ∈ Grp
25 9 sselda ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → y ∈ X
26 25 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S ∧ z ∈ X → y ∈ X
27 simpr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S ∧ z ∈ X → z ∈ X
28 eqid ⊢ - G = - G
29 1 28 grpsubcl ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X → y - G z ∈ X
30 24 26 27 29 syl3anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S ∧ z ∈ X → y - G z ∈ X
31 30 fmpttd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → z ∈ X ⟼ y - G z : X ⟶ X
32 31 frnd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → ran ⁡ z ∈ X ⟼ y - G z ⊆ X
33 22 32 sstrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → z ∈ X ⟼ y - G z S ⊆ X
34 1 2 28 grpsubid ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ X → y - G y = 0 ˙
35 23 25 34 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → y - G y = 0 ˙
36 simpr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → y ∈ S
37 ovex ⊢ y - G y ∈ V
38 eqid ⊢ z ∈ S ⟼ y - G z = z ∈ S ⟼ y - G z
39 oveq2 ⊢ z = y → y - G z = y - G y
40 38 39 elrnmpt1s ⊢ y ∈ S ∧ y - G y ∈ V → y - G y ∈ ran ⁡ z ∈ S ⟼ y - G z
41 36 37 40 sylancl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → y - G y ∈ ran ⁡ z ∈ S ⟼ y - G z
42 35 41 eqeltrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → 0 ˙ ∈ ran ⁡ z ∈ S ⟼ y - G z
43 42 21 eleqtrrdi ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → 0 ˙ ∈ z ∈ X ⟼ y - G z S
44 eqid ⊢ ⋃ J = ⋃ J
45 eqid ⊢ + G = + G
46 eqid ⊢ inv g ⁡ G = inv g ⁡ G
47 1 45 46 28 grpsubval ⊢ y ∈ X ∧ z ∈ X → y - G z = y + G inv g ⁡ G ⁡ z
48 25 47 sylan ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S ∧ z ∈ X → y - G z = y + G inv g ⁡ G ⁡ z
49 48 mpteq2dva ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → z ∈ X ⟼ y - G z = z ∈ X ⟼ y + G inv g ⁡ G ⁡ z
50 1 46 grpinvcl ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X
51 23 50 sylan ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S ∧ z ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X
52 1 46 grpinvf ⊢ G ∈ Grp → inv g ⁡ G : X ⟶ X
53 11 52 syl ⊢ G ∈ TopGrp → inv g ⁡ G : X ⟶ X
54 53 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → inv g ⁡ G : X ⟶ X
55 54 feqmptd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → inv g ⁡ G = z ∈ X ⟼ inv g ⁡ G ⁡ z
56 eqidd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → w ∈ X ⟼ y + G w = w ∈ X ⟼ y + G w
57 oveq2 ⊢ w = inv g ⁡ G ⁡ z → y + G w = y + G inv g ⁡ G ⁡ z
58 51 55 56 57 fmptco ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → w ∈ X ⟼ y + G w ∘ inv g ⁡ G = z ∈ X ⟼ y + G inv g ⁡ G ⁡ z
59 49 58 eqtr4d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → z ∈ X ⟼ y - G z = w ∈ X ⟼ y + G w ∘ inv g ⁡ G
60 3 46 grpinvhmeo ⊢ G ∈ TopGrp → inv g ⁡ G ∈ J Homeo J
61 60 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → inv g ⁡ G ∈ J Homeo J
62 eqid ⊢ w ∈ X ⟼ y + G w = w ∈ X ⟼ y + G w
63 62 1 45 3 tgplacthmeo ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X → w ∈ X ⟼ y + G w ∈ J Homeo J
64 25 63 syldan ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → w ∈ X ⟼ y + G w ∈ J Homeo J
65 hmeoco ⊢ inv g ⁡ G ∈ J Homeo J ∧ w ∈ X ⟼ y + G w ∈ J Homeo J → w ∈ X ⟼ y + G w ∘ inv g ⁡ G ∈ J Homeo J
66 61 64 65 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → w ∈ X ⟼ y + G w ∘ inv g ⁡ G ∈ J Homeo J
67 59 66 eqeltrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → z ∈ X ⟼ y - G z ∈ J Homeo J
68 hmeocn ⊢ z ∈ X ⟼ y - G z ∈ J Homeo J → z ∈ X ⟼ y - G z ∈ J Cn J
69 67 68 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → z ∈ X ⟼ y - G z ∈ J Cn J
70 toponuni ⊢ J ∈ TopOn ⁡ X → X = ⋃ J
71 10 70 syl ⊢ G ∈ TopGrp → X = ⋃ J
72 71 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → X = ⋃ J
73 8 72 sseqtrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → S ⊆ ⋃ J
74 4 conncompconn ⊢ J ∈ TopOn ⁡ X ∧ 0 ˙ ∈ X → J ↾ 𝑡 S ∈ Conn
75 10 13 74 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp → J ↾ 𝑡 S ∈ Conn
76 75 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → J ↾ 𝑡 S ∈ Conn
77 44 69 73 76 connima ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → J ↾ 𝑡 z ∈ X ⟼ y - G z S ∈ Conn
78 4 conncompss ⊢ z ∈ X ⟼ y - G z S ⊆ X ∧ 0 ˙ ∈ z ∈ X ⟼ y - G z S ∧ J ↾ 𝑡 z ∈ X ⟼ y - G z S ∈ Conn → z ∈ X ⟼ y - G z S ⊆ S
79 33 43 77 78 syl3anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → z ∈ X ⟼ y - G z S ⊆ S
80 21 79 eqsstrrid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → ran ⁡ z ∈ S ⟼ y - G z ⊆ S
81 ovex ⊢ y - G z ∈ V
82 81 38 fnmpti ⊢ z ∈ S ⟼ y - G z Fn S
83 df-f ⊢ z ∈ S ⟼ y - G z : S ⟶ S ↔ z ∈ S ⟼ y - G z Fn S ∧ ran ⁡ z ∈ S ⟼ y - G z ⊆ S
84 82 83 mpbiran ⊢ z ∈ S ⟼ y - G z : S ⟶ S ↔ ran ⁡ z ∈ S ⟼ y - G z ⊆ S
85 80 84 sylibr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → z ∈ S ⟼ y - G z : S ⟶ S
86 38 fmpt ⊢ ∀ z ∈ S y - G z ∈ S ↔ z ∈ S ⟼ y - G z : S ⟶ S
87 85 86 sylibr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ S → ∀ z ∈ S y - G z ∈ S
88 87 ralrimiva ⊢ G ∈ TopGrp → ∀ y ∈ S ∀ z ∈ S y - G z ∈ S
89 1 28 issubg4 ⊢ G ∈ Grp → S ∈ SubGrp ⁡ G ↔ S ⊆ X ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ y ∈ S ∀ z ∈ S y - G z ∈ S
90 11 89 syl ⊢ G ∈ TopGrp → S ∈ SubGrp ⁡ G ↔ S ⊆ X ∧ S ≠ ∅ ∧ ∀ y ∈ S ∀ z ∈ S y - G z ∈ S
91 9 16 88 90 mpbir3and ⊢ G ∈ TopGrp → S ∈ SubGrp ⁡ G
92 11 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → G ∈ Grp
93 eqid ⊢ opp 𝑔 ⁡ G = opp 𝑔 ⁡ G
94 93 46 oppginv ⊢ G ∈ Grp → inv g ⁡ G = inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G
95 92 94 syl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G = inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G
96 95 fveq1d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y = inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y
97 simprll ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → y ∈ X
98 1 46 grpinvinv ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y = y
99 92 97 98 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y = y
100 96 99 eqtr3d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y = y
101 100 oveq1d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + opp 𝑔 ⁡ G z = y + opp 𝑔 ⁡ G z
102 eqid ⊢ + opp 𝑔 ⁡ G = + opp 𝑔 ⁡ G
103 45 93 102 oppgplus ⊢ y + opp 𝑔 ⁡ G z = z + G y
104 101 103 eqtrdi ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + opp 𝑔 ⁡ G z = z + G y
105 1 46 grpinvcl ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ y ∈ X
106 92 97 105 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y ∈ X
107 simprlr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → z ∈ X
108 99 oveq1d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + G z = y + G z
109 simprr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → y + G z ∈ S
110 108 109 eqeltrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + G z ∈ S
111 eqid ⊢ G ~ QG S = G ~ QG S
112 1 46 45 111 eqgval ⊢ G ∈ Grp ∧ S ⊆ X → inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S z ↔ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ inv g ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + G z ∈ S
113 92 8 112 sylancl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S z ↔ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ inv g ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + G z ∈ S
114 106 107 110 113 mpbir3and ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S z
115 1 2 3 4 111 tgpconncompeqg ⊢ G ∈ TopGrp ∧ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S = ⋃ x ∈ 𝒫 X | inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn
116 106 115 syldan ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S = ⋃ x ∈ 𝒫 X | inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn
117 93 oppgtgp ⊢ G ∈ TopGrp → opp 𝑔 ⁡ G ∈ TopGrp
118 117 adantr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → opp 𝑔 ⁡ G ∈ TopGrp
119 93 1 oppgbas ⊢ X = Base opp 𝑔 ⁡ G
120 93 2 oppgid ⊢ 0 ˙ = 0 opp 𝑔 ⁡ G
121 93 3 oppgtopn ⊢ J = TopOpen ⁡ opp 𝑔 ⁡ G
122 eqid ⊢ opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S = opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S
123 119 120 121 4 122 tgpconncompeqg ⊢ opp 𝑔 ⁡ G ∈ TopGrp ∧ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S = ⋃ x ∈ 𝒫 X | inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn
124 118 106 123 syl2anc ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S = ⋃ x ∈ 𝒫 X | inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∧ J ↾ 𝑡 x ∈ Conn
125 116 124 eqtr4d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S = inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S
126 125 eleq2d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → z ∈ inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S ↔ z ∈ inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S
127 vex ⊢ z ∈ V
128 fvex ⊢ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ V
129 127 128 elec ⊢ z ∈ inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S ↔ inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S z
130 127 128 elec ⊢ z ∈ inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S ↔ inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S z
131 126 129 130 3bitr3g ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y G ~ QG S z ↔ inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S z
132 114 131 mpbid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S z
133 eqid ⊢ inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G = inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G
134 119 133 102 122 eqgval ⊢ opp 𝑔 ⁡ G ∈ TopGrp ∧ S ⊆ X → inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S z ↔ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + opp 𝑔 ⁡ G z ∈ S
135 118 8 134 sylancl ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y opp 𝑔 ⁡ G ~ QG S z ↔ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + opp 𝑔 ⁡ G z ∈ S
136 132 135 mpbid ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ G ⁡ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + opp 𝑔 ⁡ G z ∈ S
137 136 simp3d ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → inv g ⁡ opp 𝑔 ⁡ G ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y + opp 𝑔 ⁡ G z ∈ S
138 104 137 eqeltrrd ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X ∧ y + G z ∈ S → z + G y ∈ S
139 138 expr ⊢ G ∈ TopGrp ∧ y ∈ X ∧ z ∈ X → y + G z ∈ S → z + G y ∈ S
140 139 ralrimivva ⊢ G ∈ TopGrp → ∀ y ∈ X ∀ z ∈ X y + G z ∈ S → z + G y ∈ S
141 1 45 isnsg2 ⊢ S ∈ NrmSGrp ⁡ G ↔ S ∈ SubGrp ⁡ G ∧ ∀ y ∈ X ∀ z ∈ X y + G z ∈ S → z + G y ∈ S
142 91 140 141 sylanbrc ⊢ G ∈ TopGrp → S ∈ NrmSGrp ⁡ G