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Theorem subgint

Description: The intersection of a nonempty collection of subgroups is a subgroup. (Contributed by Mario Carneiro, 7-Dec-2014)

Ref Expression
Assertion subgint ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 intssuni ( 𝑆 ≠ ∅ → 𝑆 𝑆 )
2 1 adantl ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → 𝑆 𝑆 )
3 ssel2 ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑔𝑆 ) → 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) )
4 3 adantlr ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑔𝑆 ) → 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) )
5 eqid ( Base ‘ 𝐺 ) = ( Base ‘ 𝐺 )
6 5 subgss ( 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → 𝑔 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) )
7 4 6 syl ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑔𝑆 ) → 𝑔 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) )
8 7 ralrimiva ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → ∀ 𝑔𝑆 𝑔 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) )
9 unissb ( 𝑆 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) ↔ ∀ 𝑔𝑆 𝑔 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) )
10 8 9 sylibr ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → 𝑆 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) )
11 2 10 sstrd ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → 𝑆 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) )
12 eqid ( 0g𝐺 ) = ( 0g𝐺 )
13 12 subg0cl ( 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → ( 0g𝐺 ) ∈ 𝑔 )
14 4 13 syl ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑔𝑆 ) → ( 0g𝐺 ) ∈ 𝑔 )
15 14 ralrimiva ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → ∀ 𝑔𝑆 ( 0g𝐺 ) ∈ 𝑔 )
16 fvex ( 0g𝐺 ) ∈ V
17 16 elint2 ( ( 0g𝐺 ) ∈ 𝑆 ↔ ∀ 𝑔𝑆 ( 0g𝐺 ) ∈ 𝑔 )
18 15 17 sylibr ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → ( 0g𝐺 ) ∈ 𝑆 )
19 18 ne0d ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → 𝑆 ≠ ∅ )
20 4 adantlr ( ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑥 𝑆𝑦 𝑆 ) ) ∧ 𝑔𝑆 ) → 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) )
21 simprl ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑥 𝑆𝑦 𝑆 ) ) → 𝑥 𝑆 )
22 elinti ( 𝑥 𝑆 → ( 𝑔𝑆𝑥𝑔 ) )
23 22 imp ( ( 𝑥 𝑆𝑔𝑆 ) → 𝑥𝑔 )
24 21 23 sylan ( ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑥 𝑆𝑦 𝑆 ) ) ∧ 𝑔𝑆 ) → 𝑥𝑔 )
25 simprr ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑥 𝑆𝑦 𝑆 ) ) → 𝑦 𝑆 )
26 elinti ( 𝑦 𝑆 → ( 𝑔𝑆𝑦𝑔 ) )
27 26 imp ( ( 𝑦 𝑆𝑔𝑆 ) → 𝑦𝑔 )
28 25 27 sylan ( ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑥 𝑆𝑦 𝑆 ) ) ∧ 𝑔𝑆 ) → 𝑦𝑔 )
29 eqid ( +g𝐺 ) = ( +g𝐺 )
30 29 subgcl ( ( 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑥𝑔𝑦𝑔 ) → ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑔 )
31 20 24 28 30 syl3anc ( ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑥 𝑆𝑦 𝑆 ) ) ∧ 𝑔𝑆 ) → ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑔 )
32 31 ralrimiva ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑥 𝑆𝑦 𝑆 ) ) → ∀ 𝑔𝑆 ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑔 )
33 ovex ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ V
34 33 elint2 ( ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑆 ↔ ∀ 𝑔𝑆 ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑔 )
35 32 34 sylibr ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ ( 𝑥 𝑆𝑦 𝑆 ) ) → ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
36 35 anassrs ( ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑥 𝑆 ) ∧ 𝑦 𝑆 ) → ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
37 36 ralrimiva ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑥 𝑆 ) → ∀ 𝑦 𝑆 ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
38 4 adantlr ( ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑥 𝑆 ) ∧ 𝑔𝑆 ) → 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) )
39 23 adantll ( ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑥 𝑆 ) ∧ 𝑔𝑆 ) → 𝑥𝑔 )
40 eqid ( invg𝐺 ) = ( invg𝐺 )
41 40 subginvcl ( ( 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑥𝑔 ) → ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑔 )
42 38 39 41 syl2anc ( ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑥 𝑆 ) ∧ 𝑔𝑆 ) → ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑔 )
43 42 ralrimiva ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑥 𝑆 ) → ∀ 𝑔𝑆 ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑔 )
44 fvex ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ V
45 44 elint2 ( ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑆 ↔ ∀ 𝑔𝑆 ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑔 )
46 43 45 sylibr ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑥 𝑆 ) → ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑆 )
47 37 46 jca ( ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) ∧ 𝑥 𝑆 ) → ( ∀ 𝑦 𝑆 ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑆 ) )
48 47 ralrimiva ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → ∀ 𝑥 𝑆 ( ∀ 𝑦 𝑆 ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑆 ) )
49 ssn0 ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ≠ ∅ )
50 n0 ( ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ≠ ∅ ↔ ∃ 𝑔 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) )
51 subgrcl ( 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → 𝐺 ∈ Grp )
52 51 exlimiv ( ∃ 𝑔 𝑔 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → 𝐺 ∈ Grp )
53 50 52 sylbi ( ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ≠ ∅ → 𝐺 ∈ Grp )
54 5 29 40 issubg2 ( 𝐺 ∈ Grp → ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ↔ ( 𝑆 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥 𝑆 ( ∀ 𝑦 𝑆 ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) )
55 49 53 54 3syl ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ↔ ( 𝑆 ⊆ ( Base ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥 𝑆 ( ∀ 𝑦 𝑆 ( 𝑥 ( +g𝐺 ) 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( ( invg𝐺 ) ‘ 𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) )
56 11 19 48 55 mpbir3and ( ( 𝑆 ⊆ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑆 ≠ ∅ ) → 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) )