Metamath Proof Explorer


Theorem cycsubmcmn

Description: The set of nonnegative integer powers of an element A of a monoid forms a commutative monoid. (Contributed by AV, 20-Jan-2024)

Ref Expression
Hypotheses cycsubmcmn.b โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐บ )
cycsubmcmn.t โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
cycsubmcmn.f โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) )
cycsubmcmn.c โŠข ๐ถ = ran ๐น
Assertion cycsubmcmn ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ CMnd )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 cycsubmcmn.b โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐บ )
2 cycsubmcmn.t โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
3 cycsubmcmn.f โŠข ๐น = ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐‘ฅ ยท ๐ด ) )
4 cycsubmcmn.c โŠข ๐ถ = ran ๐น
5 1 2 3 4 cycsubm โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) )
6 eqid โŠข ( 0g โ€˜ ๐บ ) = ( 0g โ€˜ ๐บ )
7 eqid โŠข ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) = ( ๐บ โ†พs ๐ถ )
8 1 6 7 issubm2 โŠข ( ๐บ โˆˆ Mnd โ†’ ( ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) โ†” ( ๐ถ โІ ๐ต โˆง ( 0g โ€˜ ๐บ ) โˆˆ ๐ถ โˆง ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ Mnd ) ) )
9 8 adantr โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) โ†” ( ๐ถ โІ ๐ต โˆง ( 0g โ€˜ ๐บ ) โˆˆ ๐ถ โˆง ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ Mnd ) ) )
10 simp3 โŠข ( ( ๐ถ โІ ๐ต โˆง ( 0g โ€˜ ๐บ ) โˆˆ ๐ถ โˆง ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ Mnd ) โ†’ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ Mnd )
11 9 10 biimtrdi โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) โ†’ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ Mnd ) )
12 5 11 mpd โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ Mnd )
13 7 submbas โŠข ( ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) โ†’ ๐ถ = ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) )
14 5 13 syl โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐ถ = ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) )
15 14 eqcomd โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) = ๐ถ )
16 15 eleq2d โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) โ†” ๐‘ฅ โˆˆ ๐ถ ) )
17 15 eleq2d โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) โ†” ๐‘ฆ โˆˆ ๐ถ ) )
18 16 17 anbi12d โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ) โ†” ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐ถ ) ) )
19 eqid โŠข ( +g โ€˜ ๐บ ) = ( +g โ€˜ ๐บ )
20 1 2 3 4 19 cycsubmcom โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฅ ) )
21 5 adantr โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) )
22 7 19 ressplusg โŠข ( ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) โ†’ ( +g โ€˜ ๐บ ) = ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) )
23 22 eqcomd โŠข ( ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) โ†’ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) = ( +g โ€˜ ๐บ ) )
24 23 oveqd โŠข ( ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) )
25 23 oveqd โŠข ( ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) โ†’ ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฅ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฅ ) )
26 24 25 eqeq12d โŠข ( ๐ถ โˆˆ ( SubMnd โ€˜ ๐บ ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฅ ) โ†” ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฅ ) ) )
27 21 26 syl โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฅ ) โ†” ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ๐บ ) ๐‘ฅ ) ) )
28 20 27 mpbird โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฅ ) )
29 28 ex โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ๐ถ ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฅ ) ) )
30 18 29 sylbid โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) โˆง ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฅ ) ) )
31 30 ralrimivv โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฅ ) )
32 eqid โŠข ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) = ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) )
33 eqid โŠข ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) = ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) )
34 32 33 iscmn โŠข ( ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ CMnd โ†” ( ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ Mnd โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) โˆ€ ๐‘ฆ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ( ๐‘ฅ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฆ ) = ( ๐‘ฆ ( +g โ€˜ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) ) ๐‘ฅ ) ) )
35 12 31 34 sylanbrc โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Mnd โˆง ๐ด โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐บ โ†พs ๐ถ ) โˆˆ CMnd )