Metamath Proof Explorer


Theorem orbsta2

Description: Relation between the size of the orbit and the size of the stabilizer of a point in a finite group action. (Contributed by Mario Carneiro, 16-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses orbsta2.x โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
orbsta2.h โŠข ๐ป = { ๐‘ข โˆˆ ๐‘‹ โˆฃ ( ๐‘ข โŠ• ๐ด ) = ๐ด }
orbsta2.r โŠข โˆผ = ( ๐บ ~QG ๐ป )
orbsta2.o โŠข ๐‘‚ = { โŸจ ๐‘ฅ , ๐‘ฆ โŸฉ โˆฃ ( { ๐‘ฅ , ๐‘ฆ } โІ ๐‘Œ โˆง โˆƒ ๐‘” โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘” โŠ• ๐‘ฅ ) = ๐‘ฆ ) }
Assertion orbsta2 ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ด ] ๐‘‚ ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 orbsta2.x โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
2 orbsta2.h โŠข ๐ป = { ๐‘ข โˆˆ ๐‘‹ โˆฃ ( ๐‘ข โŠ• ๐ด ) = ๐ด }
3 orbsta2.r โŠข โˆผ = ( ๐บ ~QG ๐ป )
4 orbsta2.o โŠข ๐‘‚ = { โŸจ ๐‘ฅ , ๐‘ฆ โŸฉ โˆฃ ( { ๐‘ฅ , ๐‘ฆ } โІ ๐‘Œ โˆง โˆƒ ๐‘” โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘” โŠ• ๐‘ฅ ) = ๐‘ฆ ) }
5 1 2 gastacl โŠข ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โ†’ ๐ป โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) )
6 5 adantr โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ๐ป โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) )
7 simpr โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
8 1 3 6 7 lagsubg2 โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )
9 pwfi โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ Fin โ†” ๐’ซ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
10 7 9 sylib โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ๐’ซ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
11 1 3 eqger โŠข ( ๐ป โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) โ†’ โˆผ Er ๐‘‹ )
12 6 11 syl โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ โˆผ Er ๐‘‹ )
13 12 qsss โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ( ๐‘‹ / โˆผ ) โІ ๐’ซ ๐‘‹ )
14 10 13 ssfid โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ( ๐‘‹ / โˆผ ) โˆˆ Fin )
15 eqid โŠข ran ( ๐‘˜ โˆˆ ๐‘‹ โ†ฆ โŸจ [ ๐‘˜ ] โˆผ , ( ๐‘˜ โŠ• ๐ด ) โŸฉ ) = ran ( ๐‘˜ โˆˆ ๐‘‹ โ†ฆ โŸจ [ ๐‘˜ ] โˆผ , ( ๐‘˜ โŠ• ๐ด ) โŸฉ )
16 1 2 3 15 4 orbsta โŠข ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โ†’ ran ( ๐‘˜ โˆˆ ๐‘‹ โ†ฆ โŸจ [ ๐‘˜ ] โˆผ , ( ๐‘˜ โŠ• ๐ด ) โŸฉ ) : ( ๐‘‹ / โˆผ ) โ€“1-1-ontoโ†’ [ ๐ด ] ๐‘‚ )
17 16 adantr โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ran ( ๐‘˜ โˆˆ ๐‘‹ โ†ฆ โŸจ [ ๐‘˜ ] โˆผ , ( ๐‘˜ โŠ• ๐ด ) โŸฉ ) : ( ๐‘‹ / โˆผ ) โ€“1-1-ontoโ†’ [ ๐ด ] ๐‘‚ )
18 14 17 hasheqf1od โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) = ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ด ] ๐‘‚ ) )
19 18 oveq1d โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ( ๐‘‹ / โˆผ ) ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ด ] ๐‘‚ ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )
20 8 19 eqtrd โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘Œ ) โˆง ๐ด โˆˆ ๐‘Œ ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ด ] ๐‘‚ ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )