Metamath Proof Explorer


Theorem cyggenod

Description: An element is the generator of a finite group iff the order of the generator equals the order of the group. (Contributed by Mario Carneiro, 21-Apr-2016)

Ref Expression
Hypotheses iscyg.1 โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐บ )
iscyg.2 โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
iscyg3.e โŠข ๐ธ = { ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต โˆฃ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘ฅ ) ) = ๐ต }
cyggenod.o โŠข ๐‘‚ = ( od โ€˜ ๐บ )
Assertion cyggenod ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ธ โ†” ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ต โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 iscyg.1 โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐บ )
2 iscyg.2 โŠข ยท = ( .g โ€˜ ๐บ )
3 iscyg3.e โŠข ๐ธ = { ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต โˆฃ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘ฅ ) ) = ๐ต }
4 cyggenod.o โŠข ๐‘‚ = ( od โ€˜ ๐บ )
5 1 2 3 iscyggen โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ธ โ†” ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ต โˆง ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ๐ต ) )
6 simplr โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐ต โˆˆ Fin )
7 simplll โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„ค ) โ†’ ๐บ โˆˆ Grp )
8 simpr โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„ค ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„ค )
9 simplr โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„ค ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ ๐ต )
10 1 2 mulgcl โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐‘› โˆˆ โ„ค โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) โˆˆ ๐ต )
11 7 8 9 10 syl3anc โŠข ( ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) โˆˆ ๐ต )
12 11 fmpttd โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) : โ„ค โŸถ ๐ต )
13 12 frnd โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โІ ๐ต )
14 6 13 ssfid โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โˆˆ Fin )
15 hashen โŠข ( ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โˆˆ Fin โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) โ†” ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โ‰ˆ ๐ต ) )
16 14 6 15 syl2anc โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) โ†” ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โ‰ˆ ๐ต ) )
17 eqid โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) )
18 1 4 2 17 dfod2 โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐‘‹ ) = if ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โˆˆ Fin , ( โ™ฏ โ€˜ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) , 0 ) )
19 18 adantlr โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐‘‚ โ€˜ ๐‘‹ ) = if ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โˆˆ Fin , ( โ™ฏ โ€˜ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) , 0 ) )
20 14 iftrued โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ if ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โˆˆ Fin , ( โ™ฏ โ€˜ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) , 0 ) = ( โ™ฏ โ€˜ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) )
21 19 20 eqtr2d โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( โ™ฏ โ€˜ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) = ( ๐‘‚ โ€˜ ๐‘‹ ) )
22 21 eqeq1d โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ( โ™ฏ โ€˜ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) โ†” ( ๐‘‚ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) ) )
23 fisseneq โŠข ( ( ๐ต โˆˆ Fin โˆง ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โІ ๐ต โˆง ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โ‰ˆ ๐ต ) โ†’ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ๐ต )
24 23 3expia โŠข ( ( ๐ต โˆˆ Fin โˆง ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โІ ๐ต ) โ†’ ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โ‰ˆ ๐ต โ†’ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ๐ต ) )
25 enrefg โŠข ( ๐ต โˆˆ Fin โ†’ ๐ต โ‰ˆ ๐ต )
26 25 adantr โŠข ( ( ๐ต โˆˆ Fin โˆง ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โІ ๐ต ) โ†’ ๐ต โ‰ˆ ๐ต )
27 breq1 โŠข ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ๐ต โ†’ ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โ‰ˆ ๐ต โ†” ๐ต โ‰ˆ ๐ต ) )
28 26 27 syl5ibrcom โŠข ( ( ๐ต โˆˆ Fin โˆง ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โІ ๐ต ) โ†’ ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ๐ต โ†’ ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โ‰ˆ ๐ต ) )
29 24 28 impbid โŠข ( ( ๐ต โˆˆ Fin โˆง ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โІ ๐ต ) โ†’ ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โ‰ˆ ๐ต โ†” ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ๐ต ) )
30 6 13 29 syl2anc โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) โ‰ˆ ๐ต โ†” ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ๐ต ) )
31 16 22 30 3bitr3rd โŠข ( ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โˆง ๐‘‹ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ๐ต โ†” ( ๐‘‚ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) ) )
32 31 pm5.32da โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โ†’ ( ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ต โˆง ran ( ๐‘› โˆˆ โ„ค โ†ฆ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) = ๐ต ) โ†” ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ต โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) ) ) )
33 5 32 bitrid โŠข ( ( ๐บ โˆˆ Grp โˆง ๐ต โˆˆ Fin ) โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ธ โ†” ( ๐‘‹ โˆˆ ๐ต โˆง ( ๐‘‚ โ€˜ ๐‘‹ ) = ( โ™ฏ โ€˜ ๐ต ) ) ) )