Metamath Proof Explorer


Theorem lagsubg2

Description: Lagrange's theorem for finite groups. Call the "order" of a group the cardinal number of the basic set of the group, and "index of a subgroup" the cardinal number of the set of left (or right, this is the same) cosets of this subgroup. Then the order of the group is the (cardinal) product of the order of any of its subgroups by the index of this subgroup. (Contributed by Mario Carneiro, 11-Jul-2014) (Revised by Mario Carneiro, 12-Aug-2015)

Ref Expression
Hypotheses lagsubg.1 โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
lagsubg.2 โŠข โˆผ = ( ๐บ ~QG ๐‘Œ )
lagsubg.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘Œ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) )
lagsubg.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
Assertion lagsubg2 ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lagsubg.1 โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
2 lagsubg.2 โŠข โˆผ = ( ๐บ ~QG ๐‘Œ )
3 lagsubg.3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘Œ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) )
4 lagsubg.4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
5 1 2 eqger โŠข ( ๐‘Œ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) โ†’ โˆผ Er ๐‘‹ )
6 3 5 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆผ Er ๐‘‹ )
7 6 4 qshash โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) = ฮฃ ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘ฅ ) )
8 1 2 eqgen โŠข ( ( ๐‘Œ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) โ†’ ๐‘Œ โ‰ˆ ๐‘ฅ )
9 3 8 sylan โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) โ†’ ๐‘Œ โ‰ˆ ๐‘ฅ )
10 1 subgss โŠข ( ๐‘Œ โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) โ†’ ๐‘Œ โŠ† ๐‘‹ )
11 3 10 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘Œ โŠ† ๐‘‹ )
12 4 11 ssfid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘Œ โˆˆ Fin )
13 12 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) โ†’ ๐‘Œ โˆˆ Fin )
14 4 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
15 6 qsss โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘‹ / โˆผ ) โŠ† ๐’ซ ๐‘‹ )
16 15 sselda โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ๐’ซ ๐‘‹ )
17 16 elpwid โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โŠ† ๐‘‹ )
18 14 17 ssfid โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ Fin )
19 hashen โŠข ( ( ๐‘Œ โˆˆ Fin โˆง ๐‘ฅ โˆˆ Fin ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘ฅ ) โ†” ๐‘Œ โ‰ˆ ๐‘ฅ ) )
20 13 18 19 syl2anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘ฅ ) โ†” ๐‘Œ โ‰ˆ ๐‘ฅ ) )
21 9 20 mpbird โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘ฅ ) )
22 21 sumeq2dv โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ฮฃ ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) = ฮฃ ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘ฅ ) )
23 pwfi โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ Fin โ†” ๐’ซ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
24 4 23 sylib โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐’ซ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
25 24 15 ssfid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘‹ / โˆผ ) โˆˆ Fin )
26 hashcl โŠข ( ๐‘Œ โˆˆ Fin โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) โˆˆ โ„•0 )
27 12 26 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) โˆˆ โ„•0 )
28 27 nn0cnd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) โˆˆ โ„‚ )
29 fsumconst โŠข ( ( ( ๐‘‹ / โˆผ ) โˆˆ Fin โˆง ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ฮฃ ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) ) )
30 25 28 29 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ฮฃ ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) ) )
31 7 22 30 3eqtr2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘Œ ) ) )