Metamath Proof Explorer


Theorem sylow1lem5

Description: Lemma for sylow1 . Using Lagrange's theorem and the orbit-stabilizer theorem, show that there is a subgroup with size exactly P ^ N . (Contributed by Mario Carneiro, 16-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses sylow1.x โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
sylow1.g โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐บ โˆˆ Grp )
sylow1.f โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
sylow1.p โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ )
sylow1.n โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
sylow1.d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆฅ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) )
sylow1lem.a โŠข + = ( +g โ€˜ ๐บ )
sylow1lem.s โŠข ๐‘† = { ๐‘  โˆˆ ๐’ซ ๐‘‹ โˆฃ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘  ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) }
sylow1lem.m โŠข โŠ• = ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ , ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† โ†ฆ ran ( ๐‘ง โˆˆ ๐‘ฆ โ†ฆ ( ๐‘ฅ + ๐‘ง ) ) )
sylow1lem3.1 โŠข โˆผ = { โŸจ ๐‘ฅ , ๐‘ฆ โŸฉ โˆฃ ( { ๐‘ฅ , ๐‘ฆ } โŠ† ๐‘† โˆง โˆƒ ๐‘” โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘” โŠ• ๐‘ฅ ) = ๐‘ฆ ) }
sylow1lem4.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ ๐‘† )
sylow1lem4.h โŠข ๐ป = { ๐‘ข โˆˆ ๐‘‹ โˆฃ ( ๐‘ข โŠ• ๐ต ) = ๐ต }
sylow1lem5.l โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) โ‰ค ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) โˆ’ ๐‘ ) )
Assertion sylow1lem5 ( ๐œ‘ โ†’ โˆƒ โ„Ž โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) ( โ™ฏ โ€˜ โ„Ž ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 sylow1.x โŠข ๐‘‹ = ( Base โ€˜ ๐บ )
2 sylow1.g โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐บ โˆˆ Grp )
3 sylow1.f โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
4 sylow1.p โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ )
5 sylow1.n โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
6 sylow1.d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆฅ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) )
7 sylow1lem.a โŠข + = ( +g โ€˜ ๐บ )
8 sylow1lem.s โŠข ๐‘† = { ๐‘  โˆˆ ๐’ซ ๐‘‹ โˆฃ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘  ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) }
9 sylow1lem.m โŠข โŠ• = ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐‘‹ , ๐‘ฆ โˆˆ ๐‘† โ†ฆ ran ( ๐‘ง โˆˆ ๐‘ฆ โ†ฆ ( ๐‘ฅ + ๐‘ง ) ) )
10 sylow1lem3.1 โŠข โˆผ = { โŸจ ๐‘ฅ , ๐‘ฆ โŸฉ โˆฃ ( { ๐‘ฅ , ๐‘ฆ } โŠ† ๐‘† โˆง โˆƒ ๐‘” โˆˆ ๐‘‹ ( ๐‘” โŠ• ๐‘ฅ ) = ๐‘ฆ ) }
11 sylow1lem4.b โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ ๐‘† )
12 sylow1lem4.h โŠข ๐ป = { ๐‘ข โˆˆ ๐‘‹ โˆฃ ( ๐‘ข โŠ• ๐ต ) = ๐ต }
13 sylow1lem5.l โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) โ‰ค ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) โˆ’ ๐‘ ) )
14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 sylow1lem2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘† ) )
15 1 12 gastacl โŠข ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘† ) โˆง ๐ต โˆˆ ๐‘† ) โ†’ ๐ป โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) )
16 14 11 15 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ป โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) )
17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 sylow1lem4 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โ‰ค ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) )
18 10 1 gaorber โŠข ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘† ) โ†’ โˆผ Er ๐‘† )
19 14 18 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆผ Er ๐‘† )
20 erdm โŠข ( โˆผ Er ๐‘† โ†’ dom โˆผ = ๐‘† )
21 19 20 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ dom โˆผ = ๐‘† )
22 11 21 eleqtrrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ต โˆˆ dom โˆผ )
23 ecdmn0 โŠข ( ๐ต โˆˆ dom โˆผ โ†” [ ๐ต ] โˆผ โ‰  โˆ… )
24 22 23 sylib โŠข ( ๐œ‘ โ†’ [ ๐ต ] โˆผ โ‰  โˆ… )
25 pwfi โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ Fin โ†” ๐’ซ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
26 3 25 sylib โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐’ซ ๐‘‹ โˆˆ Fin )
27 8 ssrab3 โŠข ๐‘† โŠ† ๐’ซ ๐‘‹
28 ssfi โŠข ( ( ๐’ซ ๐‘‹ โˆˆ Fin โˆง ๐‘† โŠ† ๐’ซ ๐‘‹ ) โ†’ ๐‘† โˆˆ Fin )
29 26 27 28 sylancl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘† โˆˆ Fin )
30 19 ecss โŠข ( ๐œ‘ โ†’ [ ๐ต ] โˆผ โŠ† ๐‘† )
31 29 30 ssfid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ [ ๐ต ] โˆผ โˆˆ Fin )
32 hashnncl โŠข ( [ ๐ต ] โˆผ โˆˆ Fin โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) โˆˆ โ„• โ†” [ ๐ต ] โˆผ โ‰  โˆ… ) )
33 31 32 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) โˆˆ โ„• โ†” [ ๐ต ] โˆผ โ‰  โˆ… ) )
34 24 33 mpbird โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) โˆˆ โ„• )
35 4 34 pccld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) โˆˆ โ„•0 )
36 35 nn0red โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) โˆˆ โ„ )
37 5 nn0red โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„ )
38 1 grpbn0 โŠข ( ๐บ โˆˆ Grp โ†’ ๐‘‹ โ‰  โˆ… )
39 2 38 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘‹ โ‰  โˆ… )
40 hashnncl โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ Fin โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) โˆˆ โ„• โ†” ๐‘‹ โ‰  โˆ… ) )
41 3 40 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) โˆˆ โ„• โ†” ๐‘‹ โ‰  โˆ… ) )
42 39 41 mpbird โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) โˆˆ โ„• )
43 4 42 pccld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) โˆˆ โ„•0 )
44 43 nn0red โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) โˆˆ โ„ )
45 leaddsub โŠข ( ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) โˆˆ โ„ โˆง ๐‘ โˆˆ โ„ โˆง ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ๐‘ ) โ‰ค ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) โ†” ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) โ‰ค ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) โˆ’ ๐‘ ) ) )
46 36 37 44 45 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ๐‘ ) โ‰ค ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) โ†” ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) โ‰ค ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) โˆ’ ๐‘ ) ) )
47 13 46 mpbird โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ๐‘ ) โ‰ค ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) )
48 eqid โŠข ( ๐บ ~QG ๐ป ) = ( ๐บ ~QG ๐ป )
49 1 12 48 10 orbsta2 โŠข ( ( ( โŠ• โˆˆ ( ๐บ GrpAct ๐‘† ) โˆง ๐ต โˆˆ ๐‘† ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ Fin ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )
50 14 11 3 49 syl21anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )
51 50 oveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) = ( ๐‘ƒ pCnt ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) ) )
52 34 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) โˆˆ โ„ค )
53 34 nnne0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) โ‰  0 )
54 eqid โŠข ( 0g โ€˜ ๐บ ) = ( 0g โ€˜ ๐บ )
55 54 subg0cl โŠข ( ๐ป โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) โ†’ ( 0g โ€˜ ๐บ ) โˆˆ ๐ป )
56 16 55 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0g โ€˜ ๐บ ) โˆˆ ๐ป )
57 56 ne0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ป โ‰  โˆ… )
58 12 ssrab3 โŠข ๐ป โŠ† ๐‘‹
59 ssfi โŠข ( ( ๐‘‹ โˆˆ Fin โˆง ๐ป โŠ† ๐‘‹ ) โ†’ ๐ป โˆˆ Fin )
60 3 58 59 sylancl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ป โˆˆ Fin )
61 hashnncl โŠข ( ๐ป โˆˆ Fin โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„• โ†” ๐ป โ‰  โˆ… ) )
62 60 61 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„• โ†” ๐ป โ‰  โˆ… ) )
63 57 62 mpbird โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„• )
64 63 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„ค )
65 63 nnne0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โ‰  0 )
66 pcmul โŠข ( ( ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) โˆˆ โ„ค โˆง ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) โ‰  0 ) โˆง ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„ค โˆง ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โ‰  0 ) ) โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) ) = ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) ) )
67 4 52 53 64 65 66 syl122anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ยท ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) ) = ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) ) )
68 51 67 eqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐‘‹ ) ) = ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) ) )
69 47 68 breqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ๐‘ ) โ‰ค ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) ) )
70 4 63 pccld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) โˆˆ โ„•0 )
71 70 nn0red โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) โˆˆ โ„ )
72 37 71 36 leadd2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ โ‰ค ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) โ†” ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ๐‘ ) โ‰ค ( ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ [ ๐ต ] โˆผ ) ) + ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) ) ) )
73 69 72 mpbird โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ โ‰ค ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )
74 pcdvdsb โŠข ( ( ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โˆง ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘ โ‰ค ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) โ†” ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆฅ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )
75 4 64 5 74 syl3anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ โ‰ค ( ๐‘ƒ pCnt ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) โ†” ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆฅ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )
76 73 75 mpbid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆฅ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) )
77 prmnn โŠข ( ๐‘ƒ โˆˆ โ„™ โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„• )
78 4 77 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ โ„• )
79 78 5 nnexpcld โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆˆ โ„• )
80 79 nnzd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆˆ โ„ค )
81 dvdsle โŠข ( ( ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆˆ โ„ค โˆง ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆฅ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โ‰ค ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )
82 80 63 81 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆฅ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โ‰ค ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) )
83 76 82 mpd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โ‰ค ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) )
84 hashcl โŠข ( ๐ป โˆˆ Fin โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„•0 )
85 60 84 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„•0 )
86 85 nn0red โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โˆˆ โ„ )
87 79 nnred โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆˆ โ„ )
88 86 87 letri3d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โ†” ( ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) โ‰ค ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โˆง ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โ‰ค ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) ) ) )
89 17 83 88 mpbir2and โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) )
90 fveqeq2 โŠข ( โ„Ž = ๐ป โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ โ„Ž ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) โ†” ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) ) )
91 90 rspcev โŠข ( ( ๐ป โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) โˆง ( โ™ฏ โ€˜ ๐ป ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) ) โ†’ โˆƒ โ„Ž โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) ( โ™ฏ โ€˜ โ„Ž ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) )
92 16 89 91 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆƒ โ„Ž โˆˆ ( SubGrp โ€˜ ๐บ ) ( โ™ฏ โ€˜ โ„Ž ) = ( ๐‘ƒ โ†‘ ๐‘ ) )