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Theorem odf1o2

Description: An element with nonzero order has as many multiples as its order. (Contributed by Stefan O'Rear, 6-Sep-2015)

Ref Expression
Hypotheses odf1o1.x ⊢ X = Base G
odf1o1.t ⊢ · ˙ = ⋅ G
odf1o1.o ⊢ O = od ⁡ G
odf1o1.k ⊢ K = mrCls ⁡ SubGrp ⁡ G
Assertion odf1o2 ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ 1-1 onto K ⁡ A

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 odf1o1.x ⊢ X = Base G
2 odf1o1.t ⊢ · ˙ = ⋅ G
3 odf1o1.o ⊢ O = od ⁡ G
4 odf1o1.k ⊢ K = mrCls ⁡ SubGrp ⁡ G
5 simpl1 ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A → G ∈ Grp
6 elfzoelz ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A → x ∈ ℤ
7 6 adantl ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A → x ∈ ℤ
8 simpl2 ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A → A ∈ X
9 1 2 mulgcl ⊢ G ∈ Grp ∧ x ∈ ℤ ∧ A ∈ X → x · ˙ A ∈ X
10 5 7 8 9 syl3anc ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A → x · ˙ A ∈ X
11 10 ex ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → x ∈ 0 ..^ O ⁡ A → x · ˙ A ∈ X
12 simpl3 ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → O ⁡ A ∈ ℕ
13 12 nncnd ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → O ⁡ A ∈ ℂ
14 13 subid1d ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → O ⁡ A − 0 = O ⁡ A
15 14 breq1d ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → O ⁡ A − 0 ∥ x − y ↔ O ⁡ A ∥ x − y
16 fzocongeq ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → O ⁡ A − 0 ∥ x − y ↔ x = y
17 16 adantl ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → O ⁡ A − 0 ∥ x − y ↔ x = y
18 simpl1 ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → G ∈ Grp
19 simpl2 ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → A ∈ X
20 6 ad2antrl ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → x ∈ ℤ
21 elfzoelz ⊢ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → y ∈ ℤ
22 21 ad2antll ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → y ∈ ℤ
23 eqid ⊢ 0 G = 0 G
24 1 3 2 23 odcong ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ x ∈ ℤ ∧ y ∈ ℤ → O ⁡ A ∥ x − y ↔ x · ˙ A = y · ˙ A
25 18 19 20 22 24 syl112anc ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → O ⁡ A ∥ x − y ↔ x · ˙ A = y · ˙ A
26 15 17 25 3bitr3rd ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → x · ˙ A = y · ˙ A ↔ x = y
27 26 ex ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y ∈ 0 ..^ O ⁡ A → x · ˙ A = y · ˙ A ↔ x = y
28 11 27 dom2lem ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ 1-1 X
29 f1fn ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ 1-1 X → x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A Fn 0 ..^ O ⁡ A
30 28 29 syl ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A Fn 0 ..^ O ⁡ A
31 resss ⊢ x ∈ ℤ ⟼ x · ˙ A ↾ 0 ..^ O ⁡ A ⊆ x ∈ ℤ ⟼ x · ˙ A
32 6 ssriv ⊢ 0 ..^ O ⁡ A ⊆ ℤ
33 resmpt ⊢ 0 ..^ O ⁡ A ⊆ ℤ → x ∈ ℤ ⟼ x · ˙ A ↾ 0 ..^ O ⁡ A = x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A
34 32 33 ax-mp ⊢ x ∈ ℤ ⟼ x · ˙ A ↾ 0 ..^ O ⁡ A = x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A
35 oveq1 ⊢ x = y → x · ˙ A = y · ˙ A
36 35 cbvmptv ⊢ x ∈ ℤ ⟼ x · ˙ A = y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A
37 31 34 36 3sstr3i ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A ⊆ y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A
38 rnss ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A ⊆ y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A → ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A ⊆ ran ⁡ y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A
39 37 38 mp1i ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A ⊆ ran ⁡ y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A
40 simpr ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ y ∈ ℤ → y ∈ ℤ
41 simpl3 ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ y ∈ ℤ → O ⁡ A ∈ ℕ
42 zmodfzo ⊢ y ∈ ℤ ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → y mod O ⁡ A ∈ 0 ..^ O ⁡ A
43 40 41 42 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ y ∈ ℤ → y mod O ⁡ A ∈ 0 ..^ O ⁡ A
44 1 3 2 23 odmod ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ y ∈ ℤ ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → y mod O ⁡ A · ˙ A = y · ˙ A
45 44 3an1rs ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ y ∈ ℤ → y mod O ⁡ A · ˙ A = y · ˙ A
46 45 eqcomd ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ y ∈ ℤ → y · ˙ A = y mod O ⁡ A · ˙ A
47 oveq1 ⊢ x = y mod O ⁡ A → x · ˙ A = y mod O ⁡ A · ˙ A
48 47 rspceeqv ⊢ y mod O ⁡ A ∈ 0 ..^ O ⁡ A ∧ y · ˙ A = y mod O ⁡ A · ˙ A → ∃ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A y · ˙ A = x · ˙ A
49 43 46 48 syl2anc ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ y ∈ ℤ → ∃ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A y · ˙ A = x · ˙ A
50 ovex ⊢ y · ˙ A ∈ V
51 eqid ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A = x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A
52 51 elrnmpt ⊢ y · ˙ A ∈ V → y · ˙ A ∈ ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A ↔ ∃ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A y · ˙ A = x · ˙ A
53 50 52 ax-mp ⊢ y · ˙ A ∈ ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A ↔ ∃ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A y · ˙ A = x · ˙ A
54 49 53 sylibr ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ ∧ y ∈ ℤ → y · ˙ A ∈ ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A
55 54 fmpttd ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A : ℤ ⟶ ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A
56 55 frnd ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → ran ⁡ y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A ⊆ ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A
57 39 56 eqssd ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A = ran ⁡ y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A
58 eqid ⊢ y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A = y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A
59 1 2 58 4 cycsubg2 ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X → K ⁡ A = ran ⁡ y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A
60 59 3adant3 ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → K ⁡ A = ran ⁡ y ∈ ℤ ⟼ y · ˙ A
61 57 60 eqtr4d ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A = K ⁡ A
62 df-fo ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ onto K ⁡ A ↔ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A Fn 0 ..^ O ⁡ A ∧ ran ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A = K ⁡ A
63 30 61 62 sylanbrc ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ onto K ⁡ A
64 df-f1 ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ 1-1 X ↔ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ X ∧ Fun ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A -1
65 64 simprbi ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ 1-1 X → Fun ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A -1
66 28 65 syl ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → Fun ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A -1
67 dff1o3 ⊢ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ 1-1 onto K ⁡ A ↔ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ onto K ⁡ A ∧ Fun ⁡ x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A -1
68 63 66 67 sylanbrc ⊢ G ∈ Grp ∧ A ∈ X ∧ O ⁡ A ∈ ℕ → x ∈ 0 ..^ O ⁡ A ⟼ x · ˙ A : 0 ..^ O ⁡ A ⟶ 1-1 onto K ⁡ A