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Theorem tgphaus

Description: A topological group is Hausdorff iff the identity subgroup is closed. (Contributed by Mario Carneiro, 18-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses tgphaus.1 ⊢ 0 ˙ = 0 G
tgphaus.j ⊢ J = TopOpen ⁡ G
Assertion tgphaus ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ Haus ↔ 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 tgphaus.1 ⊢ 0 ˙ = 0 G
2 tgphaus.j ⊢ J = TopOpen ⁡ G
3 tgpgrp ⊢ G ∈ TopGrp → G ∈ Grp
4 eqid ⊢ Base G = Base G
5 4 1 grpidcl ⊢ G ∈ Grp → 0 ˙ ∈ Base G
6 3 5 syl ⊢ G ∈ TopGrp → 0 ˙ ∈ Base G
7 2 4 tgptopon ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ TopOn ⁡ Base G
8 toponuni ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G → Base G = ⋃ J
9 7 8 syl ⊢ G ∈ TopGrp → Base G = ⋃ J
10 6 9 eleqtrd ⊢ G ∈ TopGrp → 0 ˙ ∈ ⋃ J
11 eqid ⊢ ⋃ J = ⋃ J
12 11 sncld ⊢ J ∈ Haus ∧ 0 ˙ ∈ ⋃ J → 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J
13 12 expcom ⊢ 0 ˙ ∈ ⋃ J → J ∈ Haus → 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J
14 10 13 syl ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ Haus → 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J
15 eqid ⊢ - G = - G
16 2 15 tgpsubcn ⊢ G ∈ TopGrp → - G ∈ J × t J Cn J
17 cnclima ⊢ - G ∈ J × t J Cn J ∧ 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J → - G -1 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J × t J
18 17 ex ⊢ - G ∈ J × t J Cn J → 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J → - G -1 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J × t J
19 16 18 syl ⊢ G ∈ TopGrp → 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J → - G -1 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J × t J
20 cnvimass ⊢ - G -1 0 ˙ ⊆ dom ⁡ - G
21 4 15 grpsubf ⊢ G ∈ Grp → - G : Base G × Base G ⟶ Base G
22 3 21 syl ⊢ G ∈ TopGrp → - G : Base G × Base G ⟶ Base G
23 20 22 fssdm ⊢ G ∈ TopGrp → - G -1 0 ˙ ⊆ Base G × Base G
24 relxp ⊢ Rel ⁡ Base G × Base G
25 relss ⊢ - G -1 0 ˙ ⊆ Base G × Base G → Rel ⁡ Base G × Base G → Rel ⁡ - G -1 0 ˙
26 23 24 25 mpisyl ⊢ G ∈ TopGrp → Rel ⁡ - G -1 0 ˙
27 dfrel4v ⊢ Rel ⁡ - G -1 0 ˙ ↔ - G -1 0 ˙ = x y | x - G -1 0 ˙ y
28 26 27 sylib ⊢ G ∈ TopGrp → - G -1 0 ˙ = x y | x - G -1 0 ˙ y
29 22 ffnd ⊢ G ∈ TopGrp → - G Fn Base G × Base G
30 elpreima ⊢ - G Fn Base G × Base G → x y ∈ - G -1 0 ˙ ↔ x y ∈ Base G × Base G ∧ - G ⁡ x y ∈ 0 ˙
31 29 30 syl ⊢ G ∈ TopGrp → x y ∈ - G -1 0 ˙ ↔ x y ∈ Base G × Base G ∧ - G ⁡ x y ∈ 0 ˙
32 opelxp ⊢ x y ∈ Base G × Base G ↔ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G
33 32 anbi1i ⊢ x y ∈ Base G × Base G ∧ - G ⁡ x y ∈ 0 ˙ ↔ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G ∧ - G ⁡ x y ∈ 0 ˙
34 4 1 15 grpsubeq0 ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G → x - G y = 0 ˙ ↔ x = y
35 34 3expb ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G → x - G y = 0 ˙ ↔ x = y
36 3 35 sylan ⊢ G ∈ TopGrp ∧ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G → x - G y = 0 ˙ ↔ x = y
37 df-ov ⊢ x - G y = - G ⁡ x y
38 37 eleq1i ⊢ x - G y ∈ 0 ˙ ↔ - G ⁡ x y ∈ 0 ˙
39 ovex ⊢ x - G y ∈ V
40 39 elsn ⊢ x - G y ∈ 0 ˙ ↔ x - G y = 0 ˙
41 38 40 bitr3i ⊢ - G ⁡ x y ∈ 0 ˙ ↔ x - G y = 0 ˙
42 equcom ⊢ y = x ↔ x = y
43 36 41 42 3bitr4g ⊢ G ∈ TopGrp ∧ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G → - G ⁡ x y ∈ 0 ˙ ↔ y = x
44 43 pm5.32da ⊢ G ∈ TopGrp → x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G ∧ - G ⁡ x y ∈ 0 ˙ ↔ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G ∧ y = x
45 33 44 bitrid ⊢ G ∈ TopGrp → x y ∈ Base G × Base G ∧ - G ⁡ x y ∈ 0 ˙ ↔ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G ∧ y = x
46 31 45 bitrd ⊢ G ∈ TopGrp → x y ∈ - G -1 0 ˙ ↔ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G ∧ y = x
47 df-br ⊢ x - G -1 0 ˙ y ↔ x y ∈ - G -1 0 ˙
48 eleq1w ⊢ y = x → y ∈ Base G ↔ x ∈ Base G
49 48 biimparc ⊢ x ∈ Base G ∧ y = x → y ∈ Base G
50 49 pm4.71i ⊢ x ∈ Base G ∧ y = x ↔ x ∈ Base G ∧ y = x ∧ y ∈ Base G
51 an32 ⊢ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G ∧ y = x ↔ x ∈ Base G ∧ y = x ∧ y ∈ Base G
52 50 51 bitr4i ⊢ x ∈ Base G ∧ y = x ↔ x ∈ Base G ∧ y ∈ Base G ∧ y = x
53 46 47 52 3bitr4g ⊢ G ∈ TopGrp → x - G -1 0 ˙ y ↔ x ∈ Base G ∧ y = x
54 53 opabbidv ⊢ G ∈ TopGrp → x y | x - G -1 0 ˙ y = x y | x ∈ Base G ∧ y = x
55 opabresid ⊢ I ↾ Base G = x y | x ∈ Base G ∧ y = x
56 54 55 eqtr4di ⊢ G ∈ TopGrp → x y | x - G -1 0 ˙ y = I ↾ Base G
57 9 reseq2d ⊢ G ∈ TopGrp → I ↾ Base G = I ↾ ⋃ J
58 28 56 57 3eqtrd ⊢ G ∈ TopGrp → - G -1 0 ˙ = I ↾ ⋃ J
59 58 eleq1d ⊢ G ∈ TopGrp → - G -1 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J × t J ↔ I ↾ ⋃ J ∈ Clsd ⁡ J × t J
60 19 59 sylibd ⊢ G ∈ TopGrp → 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J → I ↾ ⋃ J ∈ Clsd ⁡ J × t J
61 topontop ⊢ J ∈ TopOn ⁡ Base G → J ∈ Top
62 7 61 syl ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ Top
63 11 hausdiag ⊢ J ∈ Haus ↔ J ∈ Top ∧ I ↾ ⋃ J ∈ Clsd ⁡ J × t J
64 63 baib ⊢ J ∈ Top → J ∈ Haus ↔ I ↾ ⋃ J ∈ Clsd ⁡ J × t J
65 62 64 syl ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ Haus ↔ I ↾ ⋃ J ∈ Clsd ⁡ J × t J
66 60 65 sylibrd ⊢ G ∈ TopGrp → 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J → J ∈ Haus
67 14 66 impbid ⊢ G ∈ TopGrp → J ∈ Haus ↔ 0 ˙ ∈ Clsd ⁡ J