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Theorem sylow2a

Description: A named lemma of Sylow's second and third theorems. If G is a finite P -group that acts on the finite set Y , then the set Z of all points of Y fixed by every element of G has cardinality equivalent to the cardinality of Y , mod P . (Contributed by Mario Carneiro, 17-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses sylow2a.x ⊢ X = Base G
sylow2a.m ⊢ φ → ⊕ ˙ ∈ G GrpAct Y
sylow2a.p ⊢ φ → P pGrp G
sylow2a.f ⊢ φ → X ∈ Fin
sylow2a.y ⊢ φ → Y ∈ Fin
sylow2a.z ⊢ Z = u ∈ Y | ∀ h ∈ X h ⊕ ˙ u = u
sylow2a.r ⊢ ∼ ˙ = x y | x y ⊆ Y ∧ ∃ g ∈ X g ⊕ ˙ x = y
Assertion sylow2a ⊢ φ → P ∥ Y − Z

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 sylow2a.x ⊢ X = Base G
2 sylow2a.m ⊢ φ → ⊕ ˙ ∈ G GrpAct Y
3 sylow2a.p ⊢ φ → P pGrp G
4 sylow2a.f ⊢ φ → X ∈ Fin
5 sylow2a.y ⊢ φ → Y ∈ Fin
6 sylow2a.z ⊢ Z = u ∈ Y | ∀ h ∈ X h ⊕ ˙ u = u
7 sylow2a.r ⊢ ∼ ˙ = x y | x y ⊆ Y ∧ ∃ g ∈ X g ⊕ ˙ x = y
8 1 2 3 4 5 6 7 sylow2alem2 ⊢ φ → P ∥ ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z z
9 inass ⊢ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∩ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z = Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∩ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z
10 disjdif ⊢ 𝒫 Z ∩ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z = ∅
11 10 ineq2i ⊢ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∩ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z = Y / ∼ ˙ ∩ ∅
12 in0 ⊢ Y / ∼ ˙ ∩ ∅ = ∅
13 9 11 12 3eqtri ⊢ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∩ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z = ∅
14 13 a1i ⊢ φ → Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∩ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z = ∅
15 inundif ⊢ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∪ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z = Y / ∼ ˙
16 15 eqcomi ⊢ Y / ∼ ˙ = Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∪ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z
17 16 a1i ⊢ φ → Y / ∼ ˙ = Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∪ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z
18 pwfi ⊢ Y ∈ Fin ↔ 𝒫 Y ∈ Fin
19 5 18 sylib ⊢ φ → 𝒫 Y ∈ Fin
20 7 1 gaorber ⊢ ⊕ ˙ ∈ G GrpAct Y → ∼ ˙ Er Y
21 2 20 syl ⊢ φ → ∼ ˙ Er Y
22 21 qsss ⊢ φ → Y / ∼ ˙ ⊆ 𝒫 Y
23 19 22 ssfid ⊢ φ → Y / ∼ ˙ ∈ Fin
24 5 adantr ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ → Y ∈ Fin
25 22 sselda ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ → z ∈ 𝒫 Y
26 25 elpwid ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ → z ⊆ Y
27 24 26 ssfid ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ → z ∈ Fin
28 hashcl ⊢ z ∈ Fin → z ∈ ℕ 0
29 27 28 syl ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ → z ∈ ℕ 0
30 29 nn0cnd ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ → z ∈ ℂ
31 14 17 23 30 fsumsplit ⊢ φ → ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ z = ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z z + ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z z
32 21 5 qshash ⊢ φ → Y = ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ z
33 inss1 ⊢ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ⊆ Y / ∼ ˙
34 ssfi ⊢ Y / ∼ ˙ ∈ Fin ∧ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ⊆ Y / ∼ ˙ → Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∈ Fin
35 23 33 34 sylancl ⊢ φ → Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∈ Fin
36 ax-1cn ⊢ 1 ∈ ℂ
37 fsumconst ⊢ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ∈ Fin ∧ 1 ∈ ℂ → ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z 1 = Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ⋅ 1
38 35 36 37 sylancl ⊢ φ → ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z 1 = Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ⋅ 1
39 elin ⊢ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ↔ z ∈ Y / ∼ ˙ ∧ z ∈ 𝒫 Z
40 eqid ⊢ Y / ∼ ˙ = Y / ∼ ˙
41 sseq1 ⊢ w ∼ ˙ = z → w ∼ ˙ ⊆ Z ↔ z ⊆ Z
42 velpw ⊢ z ∈ 𝒫 Z ↔ z ⊆ Z
43 41 42 bitr4di ⊢ w ∼ ˙ = z → w ∼ ˙ ⊆ Z ↔ z ∈ 𝒫 Z
44 breq1 ⊢ w ∼ ˙ = z → w ∼ ˙ ≈ 1 𝑜 ↔ z ≈ 1 𝑜
45 43 44 imbi12d ⊢ w ∼ ˙ = z → w ∼ ˙ ⊆ Z → w ∼ ˙ ≈ 1 𝑜 ↔ z ∈ 𝒫 Z → z ≈ 1 𝑜
46 21 adantr ⊢ φ ∧ w ∈ Y → ∼ ˙ Er Y
47 simpr ⊢ φ ∧ w ∈ Y → w ∈ Y
48 46 47 erref ⊢ φ ∧ w ∈ Y → w ∼ ˙ w
49 vex ⊢ w ∈ V
50 49 49 elec ⊢ w ∈ w ∼ ˙ ↔ w ∼ ˙ w
51 48 50 sylibr ⊢ φ ∧ w ∈ Y → w ∈ w ∼ ˙
52 ssel ⊢ w ∼ ˙ ⊆ Z → w ∈ w ∼ ˙ → w ∈ Z
53 51 52 syl5com ⊢ φ ∧ w ∈ Y → w ∼ ˙ ⊆ Z → w ∈ Z
54 1 2 3 4 5 6 7 sylow2alem1 ⊢ φ ∧ w ∈ Z → w ∼ ˙ = w
55 49 ensn1 ⊢ w ≈ 1 𝑜
56 54 55 eqbrtrdi ⊢ φ ∧ w ∈ Z → w ∼ ˙ ≈ 1 𝑜
57 56 ex ⊢ φ → w ∈ Z → w ∼ ˙ ≈ 1 𝑜
58 57 adantr ⊢ φ ∧ w ∈ Y → w ∈ Z → w ∼ ˙ ≈ 1 𝑜
59 53 58 syld ⊢ φ ∧ w ∈ Y → w ∼ ˙ ⊆ Z → w ∼ ˙ ≈ 1 𝑜
60 40 45 59 ectocld ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ → z ∈ 𝒫 Z → z ≈ 1 𝑜
61 60 impr ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∧ z ∈ 𝒫 Z → z ≈ 1 𝑜
62 39 61 sylan2b ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → z ≈ 1 𝑜
63 en1b ⊢ z ≈ 1 𝑜 ↔ z = ⋃ z
64 62 63 sylib ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → z = ⋃ z
65 64 fveq2d ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → z = ⋃ z
66 vuniex ⊢ ⋃ z ∈ V
67 hashsng ⊢ ⋃ z ∈ V → ⋃ z = 1
68 66 67 ax-mp ⊢ ⋃ z = 1
69 65 68 eqtrdi ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → z = 1
70 69 sumeq2dv ⊢ φ → ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z z = ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z 1
71 6 ssrab3 ⊢ Z ⊆ Y
72 ssfi ⊢ Y ∈ Fin ∧ Z ⊆ Y → Z ∈ Fin
73 5 71 72 sylancl ⊢ φ → Z ∈ Fin
74 hashcl ⊢ Z ∈ Fin → Z ∈ ℕ 0
75 73 74 syl ⊢ φ → Z ∈ ℕ 0
76 75 nn0cnd ⊢ φ → Z ∈ ℂ
77 76 mulridd ⊢ φ → Z ⋅ 1 = Z
78 6 5 rabexd ⊢ φ → Z ∈ V
79 eqid ⊢ w ∈ Z ⟼ w = w ∈ Z ⟼ w
80 7 relopabiv ⊢ Rel ⁡ ∼ ˙
81 relssdmrn ⊢ Rel ⁡ ∼ ˙ → ∼ ˙ ⊆ dom ⁡ ∼ ˙ × ran ⁡ ∼ ˙
82 80 81 ax-mp ⊢ ∼ ˙ ⊆ dom ⁡ ∼ ˙ × ran ⁡ ∼ ˙
83 erdm ⊢ ∼ ˙ Er Y → dom ⁡ ∼ ˙ = Y
84 21 83 syl ⊢ φ → dom ⁡ ∼ ˙ = Y
85 84 5 eqeltrd ⊢ φ → dom ⁡ ∼ ˙ ∈ Fin
86 errn ⊢ ∼ ˙ Er Y → ran ⁡ ∼ ˙ = Y
87 21 86 syl ⊢ φ → ran ⁡ ∼ ˙ = Y
88 87 5 eqeltrd ⊢ φ → ran ⁡ ∼ ˙ ∈ Fin
89 85 88 xpexd ⊢ φ → dom ⁡ ∼ ˙ × ran ⁡ ∼ ˙ ∈ V
90 ssexg ⊢ ∼ ˙ ⊆ dom ⁡ ∼ ˙ × ran ⁡ ∼ ˙ ∧ dom ⁡ ∼ ˙ × ran ⁡ ∼ ˙ ∈ V → ∼ ˙ ∈ V
91 82 89 90 sylancr ⊢ φ → ∼ ˙ ∈ V
92 simpr ⊢ φ ∧ w ∈ Z → w ∈ Z
93 71 92 sselid ⊢ φ ∧ w ∈ Z → w ∈ Y
94 ecelqsw ⊢ ∼ ˙ ∈ V ∧ w ∈ Y → w ∼ ˙ ∈ Y / ∼ ˙
95 91 93 94 syl2an2r ⊢ φ ∧ w ∈ Z → w ∼ ˙ ∈ Y / ∼ ˙
96 54 95 eqeltrrd ⊢ φ ∧ w ∈ Z → w ∈ Y / ∼ ˙
97 snelpwi ⊢ w ∈ Z → w ∈ 𝒫 Z
98 97 adantl ⊢ φ ∧ w ∈ Z → w ∈ 𝒫 Z
99 96 98 elind ⊢ φ ∧ w ∈ Z → w ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z
100 simpr ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z
101 100 elin2d ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → z ∈ 𝒫 Z
102 101 elpwid ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → z ⊆ Z
103 64 102 eqsstrrd ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → ⋃ z ⊆ Z
104 66 snss ⊢ ⋃ z ∈ Z ↔ ⋃ z ⊆ Z
105 103 104 sylibr ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → ⋃ z ∈ Z
106 sneq ⊢ w = ⋃ z → w = ⋃ z
107 106 eqeq2d ⊢ w = ⋃ z → z = w ↔ z = ⋃ z
108 64 107 syl5ibrcom ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → w = ⋃ z → z = w
109 108 adantrl ⊢ φ ∧ w ∈ Z ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → w = ⋃ z → z = w
110 unieq ⊢ z = w → ⋃ z = ⋃ w
111 unisnv ⊢ ⋃ w = w
112 110 111 eqtr2di ⊢ z = w → w = ⋃ z
113 109 112 impbid1 ⊢ φ ∧ w ∈ Z ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z → w = ⋃ z ↔ z = w
114 79 99 105 113 f1o2d ⊢ φ → w ∈ Z ⟼ w : Z ⟶ 1-1 onto Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z
115 78 114 hasheqf1od ⊢ φ → Z = Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z
116 115 oveq1d ⊢ φ → Z ⋅ 1 = Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ⋅ 1
117 77 116 eqtr3d ⊢ φ → Z = Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z ⋅ 1
118 38 70 117 3eqtr4rd ⊢ φ → Z = ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z z
119 118 oveq1d ⊢ φ → Z + ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z z = ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∩ 𝒫 Z z + ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z z
120 31 32 119 3eqtr4rd ⊢ φ → Z + ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z z = Y
121 hashcl ⊢ Y ∈ Fin → Y ∈ ℕ 0
122 5 121 syl ⊢ φ → Y ∈ ℕ 0
123 122 nn0cnd ⊢ φ → Y ∈ ℂ
124 diffi ⊢ Y / ∼ ˙ ∈ Fin → Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z ∈ Fin
125 23 124 syl ⊢ φ → Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z ∈ Fin
126 eldifi ⊢ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z → z ∈ Y / ∼ ˙
127 126 30 sylan2 ⊢ φ ∧ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z → z ∈ ℂ
128 125 127 fsumcl ⊢ φ → ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z z ∈ ℂ
129 123 76 128 subaddd ⊢ φ → Y − Z = ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z z ↔ Z + ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z z = Y
130 120 129 mpbird ⊢ φ → Y − Z = ∑ z ∈ Y / ∼ ˙ ∖ 𝒫 Z z
131 8 130 breqtrrd ⊢ φ → P ∥ Y − Z