Metamath Proof Explorer


Theorem fincygsubgodd

Description: Calculate the order of a subgroup of a finite cyclic group. (Contributed by Rohan Ridenour, 3-Aug-2023)

Ref Expression
Hypotheses fincygsubgodd.1 โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐บ )
fincygsubgodd.2 โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
fincygsubgodd.3 โŠข ๐ท = ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) / ๐ถ )
fincygsubgodd.4 โŠข ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐ด ) )
fincygsubgodd.5 โŠข ๐ป = ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) )
fincygsubgodd.6 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐บ โˆˆ Grp )
fincygsubgodd.7 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ ๐ต )
fincygsubgodd.8 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐น = ๐ต )
fincygsubgodd.9 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆฅ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) )
fincygsubgodd.10 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ Fin )
fincygsubgodd.11 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„• )
Assertion fincygsubgodd ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ran ๐ป ) = ๐ท )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fincygsubgodd.1 โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐บ )
2 fincygsubgodd.2 โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
3 fincygsubgodd.3 โŠข ๐ท = ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) / ๐ถ )
4 fincygsubgodd.4 โŠข ๐น = ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐ด ) )
5 fincygsubgodd.5 โŠข ๐ป = ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) )
6 fincygsubgodd.6 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐บ โˆˆ Grp )
7 fincygsubgodd.7 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ด โˆˆ ๐ต )
8 fincygsubgodd.8 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐น = ๐ต )
9 fincygsubgodd.9 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆฅ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) )
10 fincygsubgodd.10 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ Fin )
11 fincygsubgodd.11 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„• )
12 eqid โŠข ( od โ€˜ ๐บ ) = ( od โ€˜ ๐บ )
13 4 rneqi โŠข ran ๐น = ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐ด ) )
14 8 13 eqtr3di โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต = ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐ด ) ) )
15 1 2 12 6 7 14 cycsubggenodd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) = if ( ๐ต โˆˆ Fin , ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) , 0 ) )
16 10 iftrued โŠข ( ๐œ‘ โ†’ if ( ๐ต โˆˆ Fin , ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) , 0 ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) )
17 15 16 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) )
18 17 oveq1d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) / ๐ถ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) / ๐ถ ) )
19 11 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„ค )
20 1 12 2 odmulg โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต โˆง ๐ถ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) = ( ( ๐ถ gcd ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) ) ยท ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) ) )
21 6 7 19 20 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) = ( ( ๐ถ gcd ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) ) ยท ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) ) )
22 1 12 odcl โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐ต โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„•0 )
23 nn0z โŠข ( ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ค )
24 7 22 23 3syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ค )
25 9 17 breqtrrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆฅ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) )
26 11 24 25 dvdsgcdidd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ถ gcd ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) ) = ๐ถ )
27 26 oveq1d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ถ gcd ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) ) ยท ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) ) = ( ๐ถ ยท ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) ) )
28 21 27 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ถ ยท ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) ) )
29 1 12 7 odcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„•0 )
30 29 nn0cnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
31 1 2 6 19 7 mulgcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ถ ยท ๐ด ) โˆˆ ๐ต )
32 1 12 31 odcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) โˆˆ โ„•0 )
33 32 nn0cnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
34 19 zcnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ โ„‚ )
35 11 nnne0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โ‰  0 )
36 30 33 34 35 divmul2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) / ๐ถ ) = ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) โ†” ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ถ ยท ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) ) ) )
37 28 36 mpbird โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ๐ด ) / ๐ถ ) = ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) )
38 18 37 eqtr3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) / ๐ถ ) = ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) )
39 3 38 eqtrid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ท = ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) )
40 5 rneqi โŠข ran ๐ป = ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) )
41 40 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐ป = ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) ) )
42 1 2 12 6 31 41 cycsubggenodd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( od โ€˜ ๐บ ) โ€˜ ( ๐ถ ยท ๐ด ) ) = if ( ran ๐ป โˆˆ Fin , ( โ™ฏ โ€˜ ran ๐ป ) , 0 ) )
43 39 42 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ท = if ( ran ๐ป โˆˆ Fin , ( โ™ฏ โ€˜ ran ๐ป ) , 0 ) )
44 iffalse โŠข ( ยฌ ran ๐ป โˆˆ Fin โ†’ if ( ran ๐ป โˆˆ Fin , ( โ™ฏ โ€˜ ran ๐ป ) , 0 ) = 0 )
45 43 44 sylan9eq โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ยฌ ran ๐ป โˆˆ Fin ) โ†’ ๐ท = 0 )
46 3 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ท = ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) / ๐ถ ) )
47 hashcl โŠข ( ๐ต โˆˆ Fin โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) โˆˆ โ„•0 )
48 nn0cn โŠข ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) โˆˆ โ„•0 โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) โˆˆ โ„‚ )
49 10 47 48 3syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) โˆˆ โ„‚ )
50 7 10 hashelne0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ยฌ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) = 0 )
51 50 neqned โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) โ‰  0 )
52 49 34 51 35 divne0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) / ๐ถ ) โ‰  0 )
53 46 52 eqnetrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ท โ‰  0 )
54 53 neneqd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ยฌ ๐ท = 0 )
55 54 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ยฌ ran ๐ป โˆˆ Fin ) โ†’ ยฌ ๐ท = 0 )
56 45 55 condan โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ๐ป โˆˆ Fin )
57 56 iftrued โŠข ( ๐œ‘ โ†’ if ( ran ๐ป โˆˆ Fin , ( โ™ฏ โ€˜ ran ๐ป ) , 0 ) = ( โ™ฏ โ€˜ ran ๐ป ) )
58 39 42 57 3eqtrrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ran ๐ป ) = ๐ท )