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Theorem mndlactf1o

Description: An element X of a monoid E is invertible iff its left-translation F is bijective. See also grplactf1o . Remark in chapter I. of BourbakiAlg1 p. 17. (Contributed by Thierry Arnoux, 3-Aug-2025)

Ref Expression
Hypotheses mndlactf1o.b ⊢ B = Base E
mndlactf1o.z ⊢ 0 ˙ = 0 E
mndlactf1o.p ⊢ + ˙ = + E
mndlactf1o.f ⊢ F = a ∈ B ⟼ X + ˙ a
mndlactf1o.e ⊢ φ → E ∈ Mnd
mndlactf1o.x ⊢ φ → X ∈ B
Assertion mndlactf1o ⊢ φ → F : B ⟶ 1-1 onto B ↔ ∃ y ∈ B X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 mndlactf1o.b ⊢ B = Base E
2 mndlactf1o.z ⊢ 0 ˙ = 0 E
3 mndlactf1o.p ⊢ + ˙ = + E
4 mndlactf1o.f ⊢ F = a ∈ B ⟼ X + ˙ a
5 mndlactf1o.e ⊢ φ → E ∈ Mnd
6 mndlactf1o.x ⊢ φ → X ∈ B
7 oveq2 ⊢ y = u → X + ˙ y = X + ˙ u
8 7 eqeq1d ⊢ y = u → X + ˙ y = 0 ˙ ↔ X + ˙ u = 0 ˙
9 oveq1 ⊢ y = u → y + ˙ X = u + ˙ X
10 9 eqeq1d ⊢ y = u → y + ˙ X = 0 ˙ ↔ u + ˙ X = 0 ˙
11 8 10 anbi12d ⊢ y = u → X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙ ↔ X + ˙ u = 0 ˙ ∧ u + ˙ X = 0 ˙
12 simplr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → u ∈ B
13 simpr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → X + ˙ u = 0 ˙
14 5 ad5antr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → E ∈ Mnd
15 6 ad5antr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → X ∈ B
16 simp-4r ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → v ∈ B
17 simpllr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → v + ˙ X = 0 ˙
18 1 2 3 14 15 16 12 17 13 mndlrinv ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → v = u
19 18 oveq1d ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → v + ˙ X = u + ˙ X
20 19 17 eqtr3d ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → u + ˙ X = 0 ˙
21 13 20 jca ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → X + ˙ u = 0 ˙ ∧ u + ˙ X = 0 ˙
22 11 12 21 rspcedvdw ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ ∧ u ∈ B ∧ X + ˙ u = 0 ˙ → ∃ y ∈ B X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙
23 f1ofo ⊢ F : B ⟶ 1-1 onto B → F : B ⟶ onto B
24 23 adantl ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F : B ⟶ onto B
25 1 2 3 4 5 6 mndlactfo ⊢ φ → F : B ⟶ onto B ↔ ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙
26 25 biimpa ⊢ φ ∧ F : B ⟶ onto B → ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙
27 24 26 syldan ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙
28 27 ad2antrr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ → ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙
29 22 28 r19.29a ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ → ∃ y ∈ B X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙
30 oveq1 ⊢ v = F -1 ⁡ 0 ˙ → v + ˙ X = F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X
31 30 eqeq1d ⊢ v = F -1 ⁡ 0 ˙ → v + ˙ X = 0 ˙ ↔ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = 0 ˙
32 f1ocnv ⊢ F : B ⟶ 1-1 onto B → F -1 : B ⟶ 1-1 onto B
33 f1of ⊢ F -1 : B ⟶ 1-1 onto B → F -1 : B ⟶ B
34 32 33 syl ⊢ F : B ⟶ 1-1 onto B → F -1 : B ⟶ B
35 34 adantl ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F -1 : B ⟶ B
36 1 2 mndidcl ⊢ E ∈ Mnd → 0 ˙ ∈ B
37 5 36 syl ⊢ φ → 0 ˙ ∈ B
38 37 adantr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → 0 ˙ ∈ B
39 35 38 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F -1 ⁡ 0 ˙ ∈ B
40 f1of1 ⊢ F : B ⟶ 1-1 onto B → F : B ⟶ 1-1 B
41 40 adantl ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F : B ⟶ 1-1 B
42 5 adantr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → E ∈ Mnd
43 6 adantr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → X ∈ B
44 1 3 42 39 43 mndcld ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X ∈ B
45 44 38 jca ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X ∈ B ∧ 0 ˙ ∈ B
46 1 3 2 mndrid ⊢ E ∈ Mnd ∧ X ∈ B → X + ˙ 0 ˙ = X
47 42 43 46 syl2anc ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → X + ˙ 0 ˙ = X
48 oveq2 ⊢ a = 0 ˙ → X + ˙ a = X + ˙ 0 ˙
49 ovexd ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → X + ˙ 0 ˙ ∈ V
50 4 48 38 49 fvmptd3 ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F ⁡ 0 ˙ = X + ˙ 0 ˙
51 oveq2 ⊢ a = F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X → X + ˙ a = X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X
52 ovexd ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X ∈ V
53 4 51 44 52 fvmptd3 ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F ⁡ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X
54 oveq2 ⊢ a = F -1 ⁡ 0 ˙ → X + ˙ a = X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙
55 ovexd ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙ ∈ V
56 4 54 39 55 fvmptd3 ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F ⁡ F -1 ⁡ 0 ˙ = X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙
57 simpr ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F : B ⟶ 1-1 onto B
58 f1ocnvfv2 ⊢ F : B ⟶ 1-1 onto B ∧ 0 ˙ ∈ B → F ⁡ F -1 ⁡ 0 ˙ = 0 ˙
59 57 38 58 syl2anc ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F ⁡ F -1 ⁡ 0 ˙ = 0 ˙
60 56 59 eqtr3d ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙ = 0 ˙
61 60 oveq1d ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = 0 ˙ + ˙ X
62 1 3 42 43 39 43 mndassd ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X
63 1 3 2 mndlid ⊢ E ∈ Mnd ∧ X ∈ B → 0 ˙ + ˙ X = X
64 42 43 63 syl2anc ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → 0 ˙ + ˙ X = X
65 61 62 64 3eqtr3d ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → X + ˙ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = X
66 53 65 eqtrd ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F ⁡ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = X
67 47 50 66 3eqtr4rd ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F ⁡ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = F ⁡ 0 ˙
68 f1fveq ⊢ F : B ⟶ 1-1 B ∧ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X ∈ B ∧ 0 ˙ ∈ B → F ⁡ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = F ⁡ 0 ˙ ↔ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = 0 ˙
69 68 biimpa ⊢ F : B ⟶ 1-1 B ∧ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X ∈ B ∧ 0 ˙ ∈ B ∧ F ⁡ F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = F ⁡ 0 ˙ → F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = 0 ˙
70 41 45 67 69 syl21anc ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → F -1 ⁡ 0 ˙ + ˙ X = 0 ˙
71 31 39 70 rspcedvdw ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → ∃ v ∈ B v + ˙ X = 0 ˙
72 29 71 r19.29a ⊢ φ ∧ F : B ⟶ 1-1 onto B → ∃ y ∈ B X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙
73 oveq1 ⊢ v = y → v + ˙ X = y + ˙ X
74 73 eqeq1d ⊢ v = y → v + ˙ X = 0 ˙ ↔ y + ˙ X = 0 ˙
75 simplr ⊢ φ ∧ y ∈ B ∧ X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙ → y ∈ B
76 simprr ⊢ φ ∧ y ∈ B ∧ X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙ → y + ˙ X = 0 ˙
77 74 75 76 rspcedvdw ⊢ φ ∧ y ∈ B ∧ X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙ → ∃ v ∈ B v + ˙ X = 0 ˙
78 oveq2 ⊢ u = y → X + ˙ u = X + ˙ y
79 78 eqeq1d ⊢ u = y → X + ˙ u = 0 ˙ ↔ X + ˙ y = 0 ˙
80 simprl ⊢ φ ∧ y ∈ B ∧ X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙ → X + ˙ y = 0 ˙
81 79 75 80 rspcedvdw ⊢ φ ∧ y ∈ B ∧ X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙ → ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙
82 77 81 jca ⊢ φ ∧ y ∈ B ∧ X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙ → ∃ v ∈ B v + ˙ X = 0 ˙ ∧ ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙
83 82 r19.29an ⊢ φ ∧ ∃ y ∈ B X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙ → ∃ v ∈ B v + ˙ X = 0 ˙ ∧ ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙
84 5 ad2antrr ⊢ φ ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ → E ∈ Mnd
85 6 ad2antrr ⊢ φ ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ → X ∈ B
86 simplr ⊢ φ ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ → v ∈ B
87 simpr ⊢ φ ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ → v + ˙ X = 0 ˙
88 1 2 3 4 84 85 86 87 mndlactf1 ⊢ φ ∧ v ∈ B ∧ v + ˙ X = 0 ˙ → F : B ⟶ 1-1 B
89 88 r19.29an ⊢ φ ∧ ∃ v ∈ B v + ˙ X = 0 ˙ → F : B ⟶ 1-1 B
90 25 biimpar ⊢ φ ∧ ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙ → F : B ⟶ onto B
91 89 90 anim12dan ⊢ φ ∧ ∃ v ∈ B v + ˙ X = 0 ˙ ∧ ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙ → F : B ⟶ 1-1 B ∧ F : B ⟶ onto B
92 df-f1o ⊢ F : B ⟶ 1-1 onto B ↔ F : B ⟶ 1-1 B ∧ F : B ⟶ onto B
93 91 92 sylibr ⊢ φ ∧ ∃ v ∈ B v + ˙ X = 0 ˙ ∧ ∃ u ∈ B X + ˙ u = 0 ˙ → F : B ⟶ 1-1 onto B
94 83 93 syldan ⊢ φ ∧ ∃ y ∈ B X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙ → F : B ⟶ 1-1 onto B
95 72 94 impbida ⊢ φ → F : B ⟶ 1-1 onto B ↔ ∃ y ∈ B X + ˙ y = 0 ˙ ∧ y + ˙ X = 0 ˙