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Theorem sylow2blem2

Description: Lemma for sylow2b . Left multiplication in a subgroup H is a group action on the set of all left cosets of K . (Contributed by Mario Carneiro, 17-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses sylow2b.x ⊢ X = Base G
sylow2b.xf ⊢ φ → X ∈ Fin
sylow2b.h ⊢ φ → H ∈ SubGrp ⁡ G
sylow2b.k ⊢ φ → K ∈ SubGrp ⁡ G
sylow2b.a ⊢ + ˙ = + G
sylow2b.r ⊢ ∼ ˙ = G ~ QG K
sylow2b.m ⊢ · ˙ = x ∈ H , y ∈ X / ∼ ˙ ⟼ ran ⁡ z ∈ y ⟼ x + ˙ z
Assertion sylow2blem2 ⊢ φ → · ˙ ∈ G ↾ 𝑠 H GrpAct X / ∼ ˙

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 sylow2b.x ⊢ X = Base G
2 sylow2b.xf ⊢ φ → X ∈ Fin
3 sylow2b.h ⊢ φ → H ∈ SubGrp ⁡ G
4 sylow2b.k ⊢ φ → K ∈ SubGrp ⁡ G
5 sylow2b.a ⊢ + ˙ = + G
6 sylow2b.r ⊢ ∼ ˙ = G ~ QG K
7 sylow2b.m ⊢ · ˙ = x ∈ H , y ∈ X / ∼ ˙ ⟼ ran ⁡ z ∈ y ⟼ x + ˙ z
8 eqid ⊢ G ↾ 𝑠 H = G ↾ 𝑠 H
9 8 subggrp ⊢ H ∈ SubGrp ⁡ G → G ↾ 𝑠 H ∈ Grp
10 3 9 syl ⊢ φ → G ↾ 𝑠 H ∈ Grp
11 pwfi ⊢ X ∈ Fin ↔ 𝒫 X ∈ Fin
12 2 11 sylib ⊢ φ → 𝒫 X ∈ Fin
13 1 6 eqger ⊢ K ∈ SubGrp ⁡ G → ∼ ˙ Er X
14 4 13 syl ⊢ φ → ∼ ˙ Er X
15 14 qsss ⊢ φ → X / ∼ ˙ ⊆ 𝒫 X
16 12 15 ssexd ⊢ φ → X / ∼ ˙ ∈ V
17 10 16 jca ⊢ φ → G ↾ 𝑠 H ∈ Grp ∧ X / ∼ ˙ ∈ V
18 vex ⊢ y ∈ V
19 18 mptex ⊢ z ∈ y ⟼ x + ˙ z ∈ V
20 19 rnex ⊢ ran ⁡ z ∈ y ⟼ x + ˙ z ∈ V
21 7 20 fnmpoi ⊢ · ˙ Fn H × X / ∼ ˙
22 21 a1i ⊢ φ → · ˙ Fn H × X / ∼ ˙
23 eqid ⊢ X / ∼ ˙ = X / ∼ ˙
24 oveq2 ⊢ s ∼ ˙ = v → u · ˙ s ∼ ˙ = u · ˙ v
25 24 eleq1d ⊢ s ∼ ˙ = v → u · ˙ s ∼ ˙ ∈ X / ∼ ˙ ↔ u · ˙ v ∈ X / ∼ ˙
26 1 2 3 4 5 6 7 sylow2blem1 ⊢ φ ∧ u ∈ H ∧ s ∈ X → u · ˙ s ∼ ˙ = u + ˙ s ∼ ˙
27 6 ovexi ⊢ ∼ ˙ ∈ V
28 subgrcl ⊢ H ∈ SubGrp ⁡ G → G ∈ Grp
29 3 28 syl ⊢ φ → G ∈ Grp
30 29 3ad2ant1 ⊢ φ ∧ u ∈ H ∧ s ∈ X → G ∈ Grp
31 1 subgss ⊢ H ∈ SubGrp ⁡ G → H ⊆ X
32 3 31 syl ⊢ φ → H ⊆ X
33 32 sselda ⊢ φ ∧ u ∈ H → u ∈ X
34 33 3adant3 ⊢ φ ∧ u ∈ H ∧ s ∈ X → u ∈ X
35 simp3 ⊢ φ ∧ u ∈ H ∧ s ∈ X → s ∈ X
36 1 5 grpcl ⊢ G ∈ Grp ∧ u ∈ X ∧ s ∈ X → u + ˙ s ∈ X
37 30 34 35 36 syl3anc ⊢ φ ∧ u ∈ H ∧ s ∈ X → u + ˙ s ∈ X
38 ecelqsw ⊢ ∼ ˙ ∈ V ∧ u + ˙ s ∈ X → u + ˙ s ∼ ˙ ∈ X / ∼ ˙
39 27 37 38 sylancr ⊢ φ ∧ u ∈ H ∧ s ∈ X → u + ˙ s ∼ ˙ ∈ X / ∼ ˙
40 26 39 eqeltrd ⊢ φ ∧ u ∈ H ∧ s ∈ X → u · ˙ s ∼ ˙ ∈ X / ∼ ˙
41 40 3expa ⊢ φ ∧ u ∈ H ∧ s ∈ X → u · ˙ s ∼ ˙ ∈ X / ∼ ˙
42 23 25 41 ectocld ⊢ φ ∧ u ∈ H ∧ v ∈ X / ∼ ˙ → u · ˙ v ∈ X / ∼ ˙
43 42 ralrimiva ⊢ φ ∧ u ∈ H → ∀ v ∈ X / ∼ ˙ u · ˙ v ∈ X / ∼ ˙
44 43 ralrimiva ⊢ φ → ∀ u ∈ H ∀ v ∈ X / ∼ ˙ u · ˙ v ∈ X / ∼ ˙
45 ffnov ⊢ · ˙ : H × X / ∼ ˙ ⟶ X / ∼ ˙ ↔ · ˙ Fn H × X / ∼ ˙ ∧ ∀ u ∈ H ∀ v ∈ X / ∼ ˙ u · ˙ v ∈ X / ∼ ˙
46 22 44 45 sylanbrc ⊢ φ → · ˙ : H × X / ∼ ˙ ⟶ X / ∼ ˙
47 8 subgbas ⊢ H ∈ SubGrp ⁡ G → H = Base G ↾ 𝑠 H
48 3 47 syl ⊢ φ → H = Base G ↾ 𝑠 H
49 48 xpeq1d ⊢ φ → H × X / ∼ ˙ = Base G ↾ 𝑠 H × X / ∼ ˙
50 49 feq2d ⊢ φ → · ˙ : H × X / ∼ ˙ ⟶ X / ∼ ˙ ↔ · ˙ : Base G ↾ 𝑠 H × X / ∼ ˙ ⟶ X / ∼ ˙
51 46 50 mpbid ⊢ φ → · ˙ : Base G ↾ 𝑠 H × X / ∼ ˙ ⟶ X / ∼ ˙
52 oveq2 ⊢ s ∼ ˙ = u → 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ s ∼ ˙ = 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ u
53 id ⊢ s ∼ ˙ = u → s ∼ ˙ = u
54 52 53 eqeq12d ⊢ s ∼ ˙ = u → 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ s ∼ ˙ = s ∼ ˙ ↔ 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ u = u
55 oveq2 ⊢ s ∼ ˙ = u → a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙ = a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ u
56 oveq2 ⊢ s ∼ ˙ = u → b · ˙ s ∼ ˙ = b · ˙ u
57 56 oveq2d ⊢ s ∼ ˙ = u → a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ u
58 55 57 eqeq12d ⊢ s ∼ ˙ = u → a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙ ↔ a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ u = a · ˙ b · ˙ u
59 58 2ralbidv ⊢ s ∼ ˙ = u → ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙ ↔ ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ u = a · ˙ b · ˙ u
60 54 59 anbi12d ⊢ s ∼ ˙ = u → 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ s ∼ ˙ = s ∼ ˙ ∧ ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙ ↔ 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ u = u ∧ ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ u = a · ˙ b · ˙ u
61 simpl ⊢ φ ∧ s ∈ X → φ
62 3 adantr ⊢ φ ∧ s ∈ X → H ∈ SubGrp ⁡ G
63 eqid ⊢ 0 G = 0 G
64 63 subg0cl ⊢ H ∈ SubGrp ⁡ G → 0 G ∈ H
65 62 64 syl ⊢ φ ∧ s ∈ X → 0 G ∈ H
66 simpr ⊢ φ ∧ s ∈ X → s ∈ X
67 1 2 3 4 5 6 7 sylow2blem1 ⊢ φ ∧ 0 G ∈ H ∧ s ∈ X → 0 G · ˙ s ∼ ˙ = 0 G + ˙ s ∼ ˙
68 61 65 66 67 syl3anc ⊢ φ ∧ s ∈ X → 0 G · ˙ s ∼ ˙ = 0 G + ˙ s ∼ ˙
69 8 63 subg0 ⊢ H ∈ SubGrp ⁡ G → 0 G = 0 G ↾ 𝑠 H
70 62 69 syl ⊢ φ ∧ s ∈ X → 0 G = 0 G ↾ 𝑠 H
71 70 oveq1d ⊢ φ ∧ s ∈ X → 0 G · ˙ s ∼ ˙ = 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ s ∼ ˙
72 1 5 63 grplid ⊢ G ∈ Grp ∧ s ∈ X → 0 G + ˙ s = s
73 29 72 sylan ⊢ φ ∧ s ∈ X → 0 G + ˙ s = s
74 73 eceq1d ⊢ φ ∧ s ∈ X → 0 G + ˙ s ∼ ˙ = s ∼ ˙
75 68 71 74 3eqtr3d ⊢ φ ∧ s ∈ X → 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ s ∼ ˙ = s ∼ ˙
76 62 adantr ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → H ∈ SubGrp ⁡ G
77 76 28 syl ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → G ∈ Grp
78 76 31 syl ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → H ⊆ X
79 simprl ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a ∈ H
80 78 79 sseldd ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a ∈ X
81 simprr ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → b ∈ H
82 78 81 sseldd ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → b ∈ X
83 66 adantr ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → s ∈ X
84 1 5 grpass ⊢ G ∈ Grp ∧ a ∈ X ∧ b ∈ X ∧ s ∈ X → a + ˙ b + ˙ s = a + ˙ b + ˙ s
85 77 80 82 83 84 syl13anc ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a + ˙ b + ˙ s = a + ˙ b + ˙ s
86 85 eceq1d ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a + ˙ b + ˙ s ∼ ˙ = a + ˙ b + ˙ s ∼ ˙
87 61 adantr ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → φ
88 1 5 grpcl ⊢ G ∈ Grp ∧ b ∈ X ∧ s ∈ X → b + ˙ s ∈ X
89 77 82 83 88 syl3anc ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → b + ˙ s ∈ X
90 1 2 3 4 5 6 7 sylow2blem1 ⊢ φ ∧ a ∈ H ∧ b + ˙ s ∈ X → a · ˙ b + ˙ s ∼ ˙ = a + ˙ b + ˙ s ∼ ˙
91 87 79 89 90 syl3anc ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a · ˙ b + ˙ s ∼ ˙ = a + ˙ b + ˙ s ∼ ˙
92 86 91 eqtr4d ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a + ˙ b + ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b + ˙ s ∼ ˙
93 5 subgcl ⊢ H ∈ SubGrp ⁡ G ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a + ˙ b ∈ H
94 76 79 81 93 syl3anc ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a + ˙ b ∈ H
95 1 2 3 4 5 6 7 sylow2blem1 ⊢ φ ∧ a + ˙ b ∈ H ∧ s ∈ X → a + ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a + ˙ b + ˙ s ∼ ˙
96 87 94 83 95 syl3anc ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a + ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a + ˙ b + ˙ s ∼ ˙
97 1 2 3 4 5 6 7 sylow2blem1 ⊢ φ ∧ b ∈ H ∧ s ∈ X → b · ˙ s ∼ ˙ = b + ˙ s ∼ ˙
98 87 81 83 97 syl3anc ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → b · ˙ s ∼ ˙ = b + ˙ s ∼ ˙
99 98 oveq2d ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b + ˙ s ∼ ˙
100 92 96 99 3eqtr4d ⊢ φ ∧ s ∈ X ∧ a ∈ H ∧ b ∈ H → a + ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙
101 100 ralrimivva ⊢ φ ∧ s ∈ X → ∀ a ∈ H ∀ b ∈ H a + ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙
102 62 47 syl ⊢ φ ∧ s ∈ X → H = Base G ↾ 𝑠 H
103 8 5 ressplusg ⊢ H ∈ SubGrp ⁡ G → + ˙ = + G ↾ 𝑠 H
104 3 103 syl ⊢ φ → + ˙ = + G ↾ 𝑠 H
105 104 oveqdr ⊢ φ ∧ s ∈ X → a + ˙ b = a + G ↾ 𝑠 H b
106 105 oveq1d ⊢ φ ∧ s ∈ X → a + ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙
107 106 eqeq1d ⊢ φ ∧ s ∈ X → a + ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙ ↔ a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙
108 102 107 raleqbidv ⊢ φ ∧ s ∈ X → ∀ b ∈ H a + ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙ ↔ ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙
109 102 108 raleqbidv ⊢ φ ∧ s ∈ X → ∀ a ∈ H ∀ b ∈ H a + ˙ b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙ ↔ ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙
110 101 109 mpbid ⊢ φ ∧ s ∈ X → ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙
111 75 110 jca ⊢ φ ∧ s ∈ X → 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ s ∼ ˙ = s ∼ ˙ ∧ ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ s ∼ ˙ = a · ˙ b · ˙ s ∼ ˙
112 23 60 111 ectocld ⊢ φ ∧ u ∈ X / ∼ ˙ → 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ u = u ∧ ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ u = a · ˙ b · ˙ u
113 112 ralrimiva ⊢ φ → ∀ u ∈ X / ∼ ˙ 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ u = u ∧ ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ u = a · ˙ b · ˙ u
114 51 113 jca ⊢ φ → · ˙ : Base G ↾ 𝑠 H × X / ∼ ˙ ⟶ X / ∼ ˙ ∧ ∀ u ∈ X / ∼ ˙ 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ u = u ∧ ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ u = a · ˙ b · ˙ u
115 eqid ⊢ Base G ↾ 𝑠 H = Base G ↾ 𝑠 H
116 eqid ⊢ + G ↾ 𝑠 H = + G ↾ 𝑠 H
117 eqid ⊢ 0 G ↾ 𝑠 H = 0 G ↾ 𝑠 H
118 115 116 117 isga ⊢ · ˙ ∈ G ↾ 𝑠 H GrpAct X / ∼ ˙ ↔ G ↾ 𝑠 H ∈ Grp ∧ X / ∼ ˙ ∈ V ∧ · ˙ : Base G ↾ 𝑠 H × X / ∼ ˙ ⟶ X / ∼ ˙ ∧ ∀ u ∈ X / ∼ ˙ 0 G ↾ 𝑠 H · ˙ u = u ∧ ∀ a ∈ Base G ↾ 𝑠 H ∀ b ∈ Base G ↾ 𝑠 H a + G ↾ 𝑠 H b · ˙ u = a · ˙ b · ˙ u
119 17 114 118 sylanbrc ⊢ φ → · ˙ ∈ G ↾ 𝑠 H GrpAct X / ∼ ˙