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Theorem nmzsubg

Description: The normalizer N_G(S) of a subset S of the group is a subgroup. (Contributed by Mario Carneiro, 18-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses elnmz.1 ⊢ N = x ∈ X | ∀ y ∈ X x + ˙ y ∈ S ↔ y + ˙ x ∈ S
nmzsubg.2 ⊢ X = Base G
nmzsubg.3 ⊢ + ˙ = + G
Assertion nmzsubg ⊢ G ∈ Grp → N ∈ SubGrp ⁡ G

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 elnmz.1 ⊢ N = x ∈ X | ∀ y ∈ X x + ˙ y ∈ S ↔ y + ˙ x ∈ S
2 nmzsubg.2 ⊢ X = Base G
3 nmzsubg.3 ⊢ + ˙ = + G
4 1 ssrab3 ⊢ N ⊆ X
5 4 a1i ⊢ G ∈ Grp → N ⊆ X
6 eqid ⊢ 0 G = 0 G
7 2 6 grpidcl ⊢ G ∈ Grp → 0 G ∈ X
8 2 3 6 grplid ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → 0 G + ˙ z = z
9 2 3 6 grprid ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → z + ˙ 0 G = z
10 8 9 eqtr4d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → 0 G + ˙ z = z + ˙ 0 G
11 10 eleq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → 0 G + ˙ z ∈ S ↔ z + ˙ 0 G ∈ S
12 11 ralrimiva ⊢ G ∈ Grp → ∀ z ∈ X 0 G + ˙ z ∈ S ↔ z + ˙ 0 G ∈ S
13 1 elnmz ⊢ 0 G ∈ N ↔ 0 G ∈ X ∧ ∀ z ∈ X 0 G + ˙ z ∈ S ↔ z + ˙ 0 G ∈ S
14 7 12 13 sylanbrc ⊢ G ∈ Grp → 0 G ∈ N
15 14 ne0d ⊢ G ∈ Grp → N ≠ ∅
16 id ⊢ G ∈ Grp → G ∈ Grp
17 4 sseli ⊢ z ∈ N → z ∈ X
18 4 sseli ⊢ w ∈ N → w ∈ X
19 2 3 grpcl ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X → z + ˙ w ∈ X
20 16 17 18 19 syl3an ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N → z + ˙ w ∈ X
21 simpl1 ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → G ∈ Grp
22 simpl2 ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → z ∈ N
23 4 22 sselid ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → z ∈ X
24 simpl3 ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → w ∈ N
25 4 24 sselid ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → w ∈ X
26 simpr ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → u ∈ X
27 2 3 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X ∧ u ∈ X → z + ˙ w + ˙ u = z + ˙ w + ˙ u
28 21 23 25 26 27 syl13anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ w + ˙ u = z + ˙ w + ˙ u
29 28 eleq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ w + ˙ u ∈ S ↔ z + ˙ w + ˙ u ∈ S
30 2 3 21 25 26 grpcld ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → w + ˙ u ∈ X
31 1 nmzbi ⊢ z ∈ N ∧ w + ˙ u ∈ X → z + ˙ w + ˙ u ∈ S ↔ w + ˙ u + ˙ z ∈ S
32 22 30 31 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ w + ˙ u ∈ S ↔ w + ˙ u + ˙ z ∈ S
33 2 3 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ w ∈ X ∧ u ∈ X ∧ z ∈ X → w + ˙ u + ˙ z = w + ˙ u + ˙ z
34 21 25 26 23 33 syl13anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → w + ˙ u + ˙ z = w + ˙ u + ˙ z
35 34 eleq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → w + ˙ u + ˙ z ∈ S ↔ w + ˙ u + ˙ z ∈ S
36 2 3 21 26 23 grpcld ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → u + ˙ z ∈ X
37 1 nmzbi ⊢ w ∈ N ∧ u + ˙ z ∈ X → w + ˙ u + ˙ z ∈ S ↔ u + ˙ z + ˙ w ∈ S
38 24 36 37 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → w + ˙ u + ˙ z ∈ S ↔ u + ˙ z + ˙ w ∈ S
39 32 35 38 3bitrd ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ w + ˙ u ∈ S ↔ u + ˙ z + ˙ w ∈ S
40 2 3 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ u ∈ X ∧ z ∈ X ∧ w ∈ X → u + ˙ z + ˙ w = u + ˙ z + ˙ w
41 21 26 23 25 40 syl13anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → u + ˙ z + ˙ w = u + ˙ z + ˙ w
42 41 eleq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → u + ˙ z + ˙ w ∈ S ↔ u + ˙ z + ˙ w ∈ S
43 29 39 42 3bitrd ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ w + ˙ u ∈ S ↔ u + ˙ z + ˙ w ∈ S
44 43 ralrimiva ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N → ∀ u ∈ X z + ˙ w + ˙ u ∈ S ↔ u + ˙ z + ˙ w ∈ S
45 1 elnmz ⊢ z + ˙ w ∈ N ↔ z + ˙ w ∈ X ∧ ∀ u ∈ X z + ˙ w + ˙ u ∈ S ↔ u + ˙ z + ˙ w ∈ S
46 20 44 45 sylanbrc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N → z + ˙ w ∈ N
47 46 3expa ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ w ∈ N → z + ˙ w ∈ N
48 47 ralrimiva ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N → ∀ w ∈ N z + ˙ w ∈ N
49 eqid ⊢ inv g ⁡ G = inv g ⁡ G
50 2 49 grpinvcl ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X
51 17 50 sylan2 ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N → inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X
52 simplr ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → z ∈ N
53 simpll ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → G ∈ Grp
54 51 adantr ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X
55 simpr ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → u ∈ X
56 2 3 53 55 54 grpcld ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X
57 2 3 53 54 56 grpcld ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X
58 1 nmzbi ⊢ z ∈ N ∧ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X → z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S ↔ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z ∈ S
59 52 57 58 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S ↔ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z ∈ S
60 4 52 sselid ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → z ∈ X
61 2 3 6 49 grprinv ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = 0 G
62 53 60 61 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = 0 G
63 62 oveq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = 0 G + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z
64 2 3 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X ∧ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X ∧ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X → z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z
65 53 60 54 56 64 syl13anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z
66 2 3 6 grplid ⊢ G ∈ Grp ∧ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X → 0 G + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z
67 53 56 66 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → 0 G + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z
68 63 65 67 3eqtr3d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z = u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z
69 68 eleq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → z + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S ↔ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S
70 2 3 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X ∧ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X ∧ z ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z
71 53 54 56 60 70 syl13anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z
72 2 3 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ u ∈ X ∧ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X ∧ z ∈ X → u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z
73 53 55 54 60 72 syl13anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z
74 2 3 6 49 grplinv ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = 0 G
75 53 60 74 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = 0 G
76 75 oveq2d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = u + ˙ 0 G
77 2 3 6 grprid ⊢ G ∈ Grp ∧ u ∈ X → u + ˙ 0 G = u
78 53 55 77 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → u + ˙ 0 G = u
79 73 76 78 3eqtrd ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = u
80 79 oveq2d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u
81 71 80 eqtrd ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z = inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u
82 81 eleq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ z ∈ S ↔ inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u ∈ S
83 59 69 82 3bitr3rd ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N ∧ u ∈ X → inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u ∈ S ↔ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S
84 83 ralrimiva ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N → ∀ u ∈ X inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u ∈ S ↔ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S
85 1 elnmz ⊢ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ N ↔ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ X ∧ ∀ u ∈ X inv g ⁡ G ⁡ z + ˙ u ∈ S ↔ u + ˙ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ S
86 51 84 85 sylanbrc ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N → inv g ⁡ G ⁡ z ∈ N
87 48 86 jca ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ N → ∀ w ∈ N z + ˙ w ∈ N ∧ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ N
88 87 ralrimiva ⊢ G ∈ Grp → ∀ z ∈ N ∀ w ∈ N z + ˙ w ∈ N ∧ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ N
89 2 3 49 issubg2 ⊢ G ∈ Grp → N ∈ SubGrp ⁡ G ↔ N ⊆ X ∧ N ≠ ∅ ∧ ∀ z ∈ N ∀ w ∈ N z + ˙ w ∈ N ∧ inv g ⁡ G ⁡ z ∈ N
90 5 15 88 89 mpbir3and ⊢ G ∈ Grp → N ∈ SubGrp ⁡ G