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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 0
29 27 28 syl φ z Y / ˙ z 0
30 29 nn0cnd φ z Y / ˙ z
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
37 fsumconst Y / ˙ 𝒫 Z Fin 1 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 0
75 73 74 syl φ Z 0
76 75 nn0cnd φ Z
77 76 mulid1d 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 ecelqsg ˙ 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 49 unisn 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 0
122 5 121 syl φ Y 0
123 122 nn0cnd φ Y
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
128 125 127 fsumcl φ z Y / ˙ 𝒫 Z z
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