Metamath Proof Explorer


Theorem issubg2

Description: Characterize the subgroups of a group by closure properties. (Contributed by Mario Carneiro, 2-Dec-2014)

Ref Expression
Hypotheses issubg2.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝐺 )
issubg2.p + = ( +g𝐺 )
issubg2.i 𝐼 = ( invg𝐺 )
Assertion issubg2 ( 𝐺 ∈ Grp → ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ↔ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 issubg2.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝐺 )
2 issubg2.p + = ( +g𝐺 )
3 issubg2.i 𝐼 = ( invg𝐺 )
4 1 subgss ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → 𝑆𝐵 )
5 eqid ( 𝐺s 𝑆 ) = ( 𝐺s 𝑆 )
6 5 subgbas ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → 𝑆 = ( Base ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) ) )
7 5 subggrp ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → ( 𝐺s 𝑆 ) ∈ Grp )
8 eqid ( Base ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) ) = ( Base ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) )
9 8 grpbn0 ( ( 𝐺s 𝑆 ) ∈ Grp → ( Base ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) ) ≠ ∅ )
10 7 9 syl ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → ( Base ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) ) ≠ ∅ )
11 6 10 eqnetrd ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → 𝑆 ≠ ∅ )
12 2 subgcl ( ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑥𝑆𝑦𝑆 ) → ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
13 12 3expa ( ( ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑥𝑆 ) ∧ 𝑦𝑆 ) → ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
14 13 ralrimiva ( ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑥𝑆 ) → ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
15 3 subginvcl ( ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑥𝑆 ) → ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 )
16 14 15 jca ( ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ∧ 𝑥𝑆 ) → ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) )
17 16 ralrimiva ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) )
18 4 11 17 3jca ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) → ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) )
19 simpl ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → 𝐺 ∈ Grp )
20 simpr1 ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → 𝑆𝐵 )
21 5 1 ressbas2 ( 𝑆𝐵𝑆 = ( Base ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) ) )
22 20 21 syl ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → 𝑆 = ( Base ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) ) )
23 fvex ( Base ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) ) ∈ V
24 22 23 eqeltrdi ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → 𝑆 ∈ V )
25 5 2 ressplusg ( 𝑆 ∈ V → + = ( +g ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) ) )
26 24 25 syl ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → + = ( +g ‘ ( 𝐺s 𝑆 ) ) )
27 simpr3 ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) )
28 simpl ( ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) → ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
29 28 ralimi ( ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) → ∀ 𝑥𝑆𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
30 27 29 syl ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ∀ 𝑥𝑆𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
31 oveq1 ( 𝑥 = 𝑢 → ( 𝑥 + 𝑦 ) = ( 𝑢 + 𝑦 ) )
32 31 eleq1d ( 𝑥 = 𝑢 → ( ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ↔ ( 𝑢 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ) )
33 oveq2 ( 𝑦 = 𝑣 → ( 𝑢 + 𝑦 ) = ( 𝑢 + 𝑣 ) )
34 33 eleq1d ( 𝑦 = 𝑣 → ( ( 𝑢 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ↔ ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ 𝑆 ) )
35 32 34 rspc2v ( ( 𝑢𝑆𝑣𝑆 ) → ( ∀ 𝑥𝑆𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 → ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ 𝑆 ) )
36 30 35 syl5com ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ( ( 𝑢𝑆𝑣𝑆 ) → ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ 𝑆 ) )
37 36 3impib ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝑆𝑣𝑆 ) → ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ 𝑆 )
38 20 sseld ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ( 𝑢𝑆𝑢𝐵 ) )
39 20 sseld ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ( 𝑣𝑆𝑣𝐵 ) )
40 20 sseld ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ( 𝑤𝑆𝑤𝐵 ) )
41 38 39 40 3anim123d ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ( ( 𝑢𝑆𝑣𝑆𝑤𝑆 ) → ( 𝑢𝐵𝑣𝐵𝑤𝐵 ) ) )
42 41 imp ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ ( 𝑢𝑆𝑣𝑆𝑤𝑆 ) ) → ( 𝑢𝐵𝑣𝐵𝑤𝐵 ) )
43 1 2 grpass ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑢𝐵𝑣𝐵𝑤𝐵 ) ) → ( ( 𝑢 + 𝑣 ) + 𝑤 ) = ( 𝑢 + ( 𝑣 + 𝑤 ) ) )
44 43 adantlr ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ ( 𝑢𝐵𝑣𝐵𝑤𝐵 ) ) → ( ( 𝑢 + 𝑣 ) + 𝑤 ) = ( 𝑢 + ( 𝑣 + 𝑤 ) ) )
45 42 44 syldan ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ ( 𝑢𝑆𝑣𝑆𝑤𝑆 ) ) → ( ( 𝑢 + 𝑣 ) + 𝑤 ) = ( 𝑢 + ( 𝑣 + 𝑤 ) ) )
46 simpr2 ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → 𝑆 ≠ ∅ )
47 n0 ( 𝑆 ≠ ∅ ↔ ∃ 𝑢 𝑢𝑆 )
48 46 47 sylib ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ∃ 𝑢 𝑢𝑆 )
49 20 sselda ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝑆 ) → 𝑢𝐵 )
50 eqid ( 0g𝐺 ) = ( 0g𝐺 )
51 1 2 50 3 grplinv ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ 𝑢𝐵 ) → ( ( 𝐼𝑢 ) + 𝑢 ) = ( 0g𝐺 ) )
52 51 adantlr ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝐵 ) → ( ( 𝐼𝑢 ) + 𝑢 ) = ( 0g𝐺 ) )
53 49 52 syldan ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝑆 ) → ( ( 𝐼𝑢 ) + 𝑢 ) = ( 0g𝐺 ) )
54 simpr ( ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) → ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 )
55 54 ralimi ( ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) → ∀ 𝑥𝑆 ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 )
56 27 55 syl ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ∀ 𝑥𝑆 ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 )
57 fveq2 ( 𝑥 = 𝑢 → ( 𝐼𝑥 ) = ( 𝐼𝑢 ) )
58 57 eleq1d ( 𝑥 = 𝑢 → ( ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ↔ ( 𝐼𝑢 ) ∈ 𝑆 ) )
59 58 rspccva ( ( ∀ 𝑥𝑆 ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆𝑢𝑆 ) → ( 𝐼𝑢 ) ∈ 𝑆 )
60 56 59 sylan ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝑆 ) → ( 𝐼𝑢 ) ∈ 𝑆 )
61 simpr ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝑆 ) → 𝑢𝑆 )
62 30 adantr ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝑆 ) → ∀ 𝑥𝑆𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 )
63 ovrspc2v ( ( ( ( 𝐼𝑢 ) ∈ 𝑆𝑢𝑆 ) ∧ ∀ 𝑥𝑆𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ) → ( ( 𝐼𝑢 ) + 𝑢 ) ∈ 𝑆 )
64 60 61 62 63 syl21anc ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝑆 ) → ( ( 𝐼𝑢 ) + 𝑢 ) ∈ 𝑆 )
65 53 64 eqeltrrd ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝑆 ) → ( 0g𝐺 ) ∈ 𝑆 )
66 48 65 exlimddv ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ( 0g𝐺 ) ∈ 𝑆 )
67 1 2 50 grplid ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ 𝑢𝐵 ) → ( ( 0g𝐺 ) + 𝑢 ) = 𝑢 )
68 67 adantlr ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝐵 ) → ( ( 0g𝐺 ) + 𝑢 ) = 𝑢 )
69 49 68 syldan ( ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) ∧ 𝑢𝑆 ) → ( ( 0g𝐺 ) + 𝑢 ) = 𝑢 )
70 22 26 37 45 66 69 60 53 isgrpd ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → ( 𝐺s 𝑆 ) ∈ Grp )
71 1 issubg ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ↔ ( 𝐺 ∈ Grp ∧ 𝑆𝐵 ∧ ( 𝐺s 𝑆 ) ∈ Grp ) )
72 19 20 70 71 syl3anbrc ( ( 𝐺 ∈ Grp ∧ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) → 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) )
73 72 ex ( 𝐺 ∈ Grp → ( ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) → 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ) )
74 18 73 impbid2 ( 𝐺 ∈ Grp → ( 𝑆 ∈ ( SubGrp ‘ 𝐺 ) ↔ ( 𝑆𝐵𝑆 ≠ ∅ ∧ ∀ 𝑥𝑆 ( ∀ 𝑦𝑆 ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝑆 ∧ ( 𝐼𝑥 ) ∈ 𝑆 ) ) ) )