Metamath Proof Explorer


Theorem oddvdssubg

Description: The set of all elements whose order divides a fixed integer is a subgroup of any abelian group. (Contributed by Mario Carneiro, 19-Apr-2016)

Ref Expression
Hypotheses torsubg.1 ⊢ O = od ⁡ G
oddvdssubg.1 ⊢ B = Base G
Assertion oddvdssubg ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∈ SubGrp ⁡ G

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 torsubg.1 ⊢ O = od ⁡ G
2 oddvdssubg.1 ⊢ B = Base G
3 ssrab2 ⊢ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ⊆ B
4 3 a1i ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ⊆ B
5 fveq2 ⊢ x = 0 G → O ⁡ x = O ⁡ 0 G
6 5 breq1d ⊢ x = 0 G → O ⁡ x ∥ N ↔ O ⁡ 0 G ∥ N
7 ablgrp ⊢ G ∈ Abel → G ∈ Grp
8 7 adantr ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → G ∈ Grp
9 eqid ⊢ 0 G = 0 G
10 2 9 grpidcl ⊢ G ∈ Grp → 0 G ∈ B
11 8 10 syl ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → 0 G ∈ B
12 1 9 od1 ⊢ G ∈ Grp → O ⁡ 0 G = 1
13 8 12 syl ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → O ⁡ 0 G = 1
14 1dvds ⊢ N ∈ ℤ → 1 ∥ N
15 14 adantl ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → 1 ∥ N
16 13 15 eqbrtrd ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → O ⁡ 0 G ∥ N
17 6 11 16 elrabd ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → 0 G ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
18 17 ne0d ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ≠ ∅
19 fveq2 ⊢ x = y → O ⁡ x = O ⁡ y
20 19 breq1d ⊢ x = y → O ⁡ x ∥ N ↔ O ⁡ y ∥ N
21 20 elrab ⊢ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ↔ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N
22 fveq2 ⊢ x = z → O ⁡ x = O ⁡ z
23 22 breq1d ⊢ x = z → O ⁡ x ∥ N ↔ O ⁡ z ∥ N
24 23 elrab ⊢ z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ↔ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N
25 fveq2 ⊢ x = y + G z → O ⁡ x = O ⁡ y + G z
26 25 breq1d ⊢ x = y + G z → O ⁡ x ∥ N ↔ O ⁡ y + G z ∥ N
27 8 adantr ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N → G ∈ Grp
28 27 adantr ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → G ∈ Grp
29 simprl ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N → y ∈ B
30 29 adantr ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → y ∈ B
31 simprl ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → z ∈ B
32 eqid ⊢ + G = + G
33 2 32 grpcl ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ B ∧ z ∈ B → y + G z ∈ B
34 28 30 31 33 syl3anc ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → y + G z ∈ B
35 simplll ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → G ∈ Abel
36 simpllr ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → N ∈ ℤ
37 eqid ⊢ ⋅ G = ⋅ G
38 2 37 32 mulgdi ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ z ∈ B → N ⋅ G y + G z = N ⋅ G y + G N ⋅ G z
39 35 36 30 31 38 syl13anc ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → N ⋅ G y + G z = N ⋅ G y + G N ⋅ G z
40 simprr ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N → O ⁡ y ∥ N
41 40 adantr ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → O ⁡ y ∥ N
42 2 1 37 9 oddvds ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ B ∧ N ∈ ℤ → O ⁡ y ∥ N ↔ N ⋅ G y = 0 G
43 28 30 36 42 syl3anc ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → O ⁡ y ∥ N ↔ N ⋅ G y = 0 G
44 41 43 mpbid ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → N ⋅ G y = 0 G
45 simprr ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → O ⁡ z ∥ N
46 2 1 37 9 oddvds ⊢ G ∈ Grp ∧ z ∈ B ∧ N ∈ ℤ → O ⁡ z ∥ N ↔ N ⋅ G z = 0 G
47 28 31 36 46 syl3anc ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → O ⁡ z ∥ N ↔ N ⋅ G z = 0 G
48 45 47 mpbid ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → N ⋅ G z = 0 G
49 44 48 oveq12d ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → N ⋅ G y + G N ⋅ G z = 0 G + G 0 G
50 28 10 syl ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → 0 G ∈ B
51 2 32 9 grplid ⊢ G ∈ Grp ∧ 0 G ∈ B → 0 G + G 0 G = 0 G
52 28 50 51 syl2anc ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → 0 G + G 0 G = 0 G
53 39 49 52 3eqtrd ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → N ⋅ G y + G z = 0 G
54 2 1 37 9 oddvds ⊢ G ∈ Grp ∧ y + G z ∈ B ∧ N ∈ ℤ → O ⁡ y + G z ∥ N ↔ N ⋅ G y + G z = 0 G
55 28 34 36 54 syl3anc ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → O ⁡ y + G z ∥ N ↔ N ⋅ G y + G z = 0 G
56 53 55 mpbird ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → O ⁡ y + G z ∥ N
57 26 34 56 elrabd ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ B ∧ O ⁡ z ∥ N → y + G z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
58 24 57 sylan2b ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N ∧ z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N → y + G z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
59 58 ralrimiva ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N → ∀ z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N y + G z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
60 fveq2 ⊢ x = inv g ⁡ G ⁡ y → O ⁡ x = O ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y
61 60 breq1d ⊢ x = inv g ⁡ G ⁡ y → O ⁡ x ∥ N ↔ O ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y ∥ N
62 eqid ⊢ inv g ⁡ G = inv g ⁡ G
63 2 62 grpinvcl ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ B → inv g ⁡ G ⁡ y ∈ B
64 27 29 63 syl2anc ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N → inv g ⁡ G ⁡ y ∈ B
65 1 62 2 odinv ⊢ G ∈ Grp ∧ y ∈ B → O ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y = O ⁡ y
66 27 29 65 syl2anc ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N → O ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y = O ⁡ y
67 66 40 eqbrtrd ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N → O ⁡ inv g ⁡ G ⁡ y ∥ N
68 61 64 67 elrabd ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N → inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
69 59 68 jca ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ B ∧ O ⁡ y ∥ N → ∀ z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N y + G z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∧ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
70 21 69 sylan2b ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ ∧ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N → ∀ z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N y + G z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∧ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
71 70 ralrimiva ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → ∀ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∀ z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N y + G z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∧ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
72 2 32 62 issubg2 ⊢ G ∈ Grp → x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∈ SubGrp ⁡ G ↔ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ⊆ B ∧ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ≠ ∅ ∧ ∀ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∀ z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N y + G z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∧ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
73 8 72 syl ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∈ SubGrp ⁡ G ↔ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ⊆ B ∧ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ≠ ∅ ∧ ∀ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∀ z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N y + G z ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∧ inv g ⁡ G ⁡ y ∈ x ∈ B | O ⁡ x ∥ N
74 4 18 71 73 mpbir3and ⊢ G ∈ Abel ∧ N ∈ ℤ → x ∈ B | O ⁡ x ∥ N ∈ SubGrp ⁡ G