Metamath Proof Explorer


Theorem odf1

Description: The multiples of an element with infinite order form an infinite cyclic subgroup of G . (Contributed by Mario Carneiro, 14-Jan-2015) (Revised by Mario Carneiro, 23-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses odf1.1 โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
odf1.2 โŠข ๐‘‚ = ( od โ€˜ ๐บ )
odf1.3 โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
odf1.4 โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) )
Assertion odf1 ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 โ†” ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 odf1.1 โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
2 odf1.2 โŠข ๐‘‚ = ( od โ€˜ ๐บ )
3 odf1.3 โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
4 odf1.4 โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) )
5 1 3 mulgcl โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„ค โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) โˆˆ ๐‘‹ )
6 5 3expa โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„ค ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) โˆˆ ๐‘‹ )
7 6 an32s โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) โˆˆ ๐‘‹ )
8 7 4 fmptd โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ๐น : โ„ค โŸถ ๐‘‹ )
9 8 adantr โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โ†’ ๐น : โ„ค โŸถ ๐‘‹ )
10 oveq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ฆ โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) = ( ๐‘ฆ ยท ๐ด ) )
11 ovex โŠข ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) โˆˆ V
12 10 4 11 fvmpt3i โŠข ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ยท ๐ด ) )
13 oveq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ๐‘ง โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) = ( ๐‘ง ยท ๐ด ) )
14 13 4 11 fvmpt3i โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„ค โ†’ ( ๐น โ€˜ ๐‘ง ) = ( ๐‘ง ยท ๐ด ) )
15 12 14 eqeqan12d โŠข ( ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘ง ) โ†” ( ๐‘ฆ ยท ๐ด ) = ( ๐‘ง ยท ๐ด ) ) )
16 15 adantl โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘ง ) โ†” ( ๐‘ฆ ยท ๐ด ) = ( ๐‘ง ยท ๐ด ) ) )
17 simplr โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 )
18 17 breq1d โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) โˆฅ ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) โ†” 0 โˆฅ ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) ) )
19 eqid โŠข ( 0g โ€˜ ๐บ ) = ( 0g โ€˜ ๐บ )
20 1 2 3 19 odcong โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) โˆฅ ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) โ†” ( ๐‘ฆ ยท ๐ด ) = ( ๐‘ง ยท ๐ด ) ) )
21 20 ad4ant124 โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) โˆฅ ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) โ†” ( ๐‘ฆ ยท ๐ด ) = ( ๐‘ง ยท ๐ด ) ) )
22 zsubcl โŠข ( ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) โˆˆ โ„ค )
23 22 adantl โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) โˆˆ โ„ค )
24 0dvds โŠข ( ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) โˆˆ โ„ค โ†’ ( 0 โˆฅ ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) โ†” ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) = 0 ) )
25 23 24 syl โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( 0 โˆฅ ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) โ†” ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) = 0 ) )
26 18 21 25 3bitr3d โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฆ ยท ๐ด ) = ( ๐‘ง ยท ๐ด ) โ†” ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) = 0 ) )
27 zcn โŠข ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ )
28 zcn โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„ค โ†’ ๐‘ง โˆˆ โ„‚ )
29 subeq0 โŠข ( ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) = 0 โ†” ๐‘ฆ = ๐‘ง ) )
30 27 28 29 syl2an โŠข ( ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) = 0 โ†” ๐‘ฆ = ๐‘ง ) )
31 30 adantl โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ง ) = 0 โ†” ๐‘ฆ = ๐‘ง ) )
32 16 26 31 3bitrd โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘ง ) โ†” ๐‘ฆ = ๐‘ง ) )
33 32 biimpd โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โˆง ( ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ง โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘ง ) โ†’ ๐‘ฆ = ๐‘ง ) )
34 33 ralrimivva โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โ†’ โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆ€ ๐‘ง โˆˆ โ„ค ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘ง ) โ†’ ๐‘ฆ = ๐‘ง ) )
35 dff13 โŠข ( ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ โ†” ( ๐น : โ„ค โŸถ ๐‘‹ โˆง โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ โ„ค โˆ€ ๐‘ง โˆˆ โ„ค ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฆ ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘ง ) โ†’ ๐‘ฆ = ๐‘ง ) ) )
36 9 34 35 sylanbrc โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) โ†’ ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ )
37 1 2 3 19 odid โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐‘‹ โ†’ ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ยท ๐ด ) = ( 0g โ€˜ ๐บ ) )
38 1 19 3 mulg0 โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐‘‹ โ†’ ( 0 ยท ๐ด ) = ( 0g โ€˜ ๐บ ) )
39 37 38 eqtr4d โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐‘‹ โ†’ ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ยท ๐ด ) = ( 0 ยท ๐ด ) )
40 39 ad2antlr โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ยท ๐ด ) = ( 0 ยท ๐ด ) )
41 1 2 odcl โŠข ( ๐ด โˆˆ ๐‘‹ โ†’ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„•0 )
42 41 ad2antlr โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„•0 )
43 42 nn0zd โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ค )
44 oveq1 โŠข ( ๐‘ฅ = ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) = ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ยท ๐ด ) )
45 44 4 11 fvmpt3i โŠข ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ค โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ยท ๐ด ) )
46 43 45 syl โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ยท ๐ด ) )
47 0zd โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ 0 โˆˆ โ„ค )
48 oveq1 โŠข ( ๐‘ฅ = 0 โ†’ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) = ( 0 ยท ๐ด ) )
49 48 4 11 fvmpt3i โŠข ( 0 โˆˆ โ„ค โ†’ ( ๐น โ€˜ 0 ) = ( 0 ยท ๐ด ) )
50 47 49 syl โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐น โ€˜ 0 ) = ( 0 ยท ๐ด ) )
51 40 46 50 3eqtr4d โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ๐น โ€˜ 0 ) )
52 simpr โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ )
53 f1fveq โŠข ( ( ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ โˆง ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ค โˆง 0 โˆˆ โ„ค ) ) โ†’ ( ( ๐น โ€˜ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ๐น โ€˜ 0 ) โ†” ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) )
54 52 43 47 53 syl12anc โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ ( ( ๐น โ€˜ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ๐น โ€˜ 0 ) โ†” ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 ) )
55 51 54 mpbid โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โˆง ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) โ†’ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 )
56 36 55 impbida โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘‹ ) โ†’ ( ( ๐‘‚ โ€˜ ๐ด ) = 0 โ†” ๐น : โ„ค โ€“1-1โ†’ ๐‘‹ ) )