Metamath Proof Explorer


Theorem gexlem2

Description: Any positive annihilator of all the group elements is an upper bound on the group exponent. (Contributed by Mario Carneiro, 24-Apr-2016) (Proof shortened by AV, 26-Sep-2020)

Ref Expression
Hypotheses gexcl.1 โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
gexcl.2 โŠข ๐ธ = ( gEx โ€˜ ๐บ )
gexid.3 โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
gexid.4 โŠข 0 = ( 0g โ€˜ ๐บ )
Assertion gexlem2 ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) = 0 ) โ†’ ๐ธ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 gexcl.1 โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
2 gexcl.2 โŠข ๐ธ = ( gEx โ€˜ ๐บ )
3 gexid.3 โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
4 gexid.4 โŠข 0 = ( 0g โ€˜ ๐บ )
5 oveq1 โŠข ( ๐‘ฆ = ๐‘ โ†’ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = ( ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) )
6 5 eqeq1d โŠข ( ๐‘ฆ = ๐‘ โ†’ ( ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 โ†” ( ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) = 0 ) )
7 6 ralbidv โŠข ( ๐‘ฆ = ๐‘ โ†’ ( โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 โ†” โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) = 0 ) )
8 7 elrab โŠข ( ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ†” ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) = 0 ) )
9 eqid โŠข { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } = { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 }
10 1 3 4 2 9 gexval โŠข ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โ†’ ๐ธ = if ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } = โˆ… , 0 , inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) ) )
11 ne0i โŠข ( ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ†’ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ‰  โˆ… )
12 ifnefalse โŠข ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ‰  โˆ… โ†’ if ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } = โˆ… , 0 , inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) ) = inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) )
13 11 12 syl โŠข ( ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ†’ if ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } = โˆ… , 0 , inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) ) = inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) )
14 10 13 sylan9eq โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } ) โ†’ ๐ธ = inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) )
15 ssrab2 โŠข { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โŠ† โ„•
16 nnuz โŠข โ„• = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 )
17 15 16 sseqtri โŠข { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โŠ† ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 )
18 11 adantl โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } ) โ†’ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ‰  โˆ… )
19 infssuzcl โŠข ( ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โŠ† ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) โˆง { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ‰  โˆ… ) โ†’ inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } )
20 17 18 19 sylancr โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } ) โ†’ inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } )
21 15 20 sselid โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } ) โ†’ inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ โ„• )
22 infssuzle โŠข ( ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โŠ† ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 ) โˆง ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } ) โ†’ inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โ‰ค ๐‘ )
23 17 22 mpan โŠข ( ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ†’ inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โ‰ค ๐‘ )
24 23 adantl โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } ) โ†’ inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โ‰ค ๐‘ )
25 elrabi โŠข ( ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„• )
26 25 nnzd โŠข ( ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„ค )
27 fznn โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„ค โ†’ ( inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) โ†” ( inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ โ„• โˆง inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โ‰ค ๐‘ ) ) )
28 26 27 syl โŠข ( ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } โ†’ ( inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) โ†” ( inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ โ„• โˆง inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โ‰ค ๐‘ ) ) )
29 28 adantl โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } ) โ†’ ( inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) โ†” ( inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ โ„• โˆง inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โ‰ค ๐‘ ) ) )
30 21 24 29 mpbir2and โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } ) โ†’ inf ( { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } , โ„ , < ) โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) )
31 14 30 eqeltrd โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ { ๐‘ฆ โˆˆ โ„• โˆฃ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ฆ ยท ๐‘ฅ ) = 0 } ) โ†’ ๐ธ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) )
32 8 31 sylan2br โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) = 0 ) ) โ†’ ๐ธ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) )
33 32 3impb โŠข ( ( ๐บ โˆˆ ๐‘‰ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘ ยท ๐‘ฅ ) = 0 ) โ†’ ๐ธ โˆˆ ( 1 ... ๐‘ ) )