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Theorem mhmf1o

Description: A monoid homomorphism is bijective iff its converse is also a monoid homomorphism. (Contributed by AV, 22-Oct-2019)

Ref Expression
Hypotheses mhmf1o.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝑅 )
mhmf1o.c 𝐶 = ( Base ‘ 𝑆 )
Assertion mhmf1o ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) → ( 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 mhmf1o.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝑅 )
2 mhmf1o.c 𝐶 = ( Base ‘ 𝑆 )
3 mhmrcl2 ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) → 𝑆 ∈ Mnd )
4 mhmrcl1 ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) → 𝑅 ∈ Mnd )
5 3 4 jca ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) → ( 𝑆 ∈ Mnd ∧ 𝑅 ∈ Mnd ) )
6 5 adantr ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → ( 𝑆 ∈ Mnd ∧ 𝑅 ∈ Mnd ) )
7 f1ocnv ( 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 𝐹 : 𝐶1-1-onto𝐵 )
8 7 adantl ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → 𝐹 : 𝐶1-1-onto𝐵 )
9 f1of ( 𝐹 : 𝐶1-1-onto𝐵 𝐹 : 𝐶𝐵 )
10 8 9 syl ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → 𝐹 : 𝐶𝐵 )
11 simpll ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) )
12 10 adantr ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → 𝐹 : 𝐶𝐵 )
13 simprl ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → 𝑥𝐶 )
14 12 13 ffvelrnd ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( 𝐹𝑥 ) ∈ 𝐵 )
15 simprr ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → 𝑦𝐶 )
16 12 15 ffvelrnd ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( 𝐹𝑦 ) ∈ 𝐵 )
17 eqid ( +g𝑅 ) = ( +g𝑅 )
18 eqid ( +g𝑆 ) = ( +g𝑆 )
19 1 17 18 mhmlin ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ ( 𝐹𝑥 ) ∈ 𝐵 ∧ ( 𝐹𝑦 ) ∈ 𝐵 ) → ( 𝐹 ‘ ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ) = ( ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑥 ) ) ( +g𝑆 ) ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑦 ) ) ) )
20 11 14 16 19 syl3anc ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( 𝐹 ‘ ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ) = ( ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑥 ) ) ( +g𝑆 ) ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑦 ) ) ) )
21 simpr ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 )
22 21 adantr ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 )
23 f1ocnvfv2 ( ( 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶𝑥𝐶 ) → ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑥 ) ) = 𝑥 )
24 22 13 23 syl2anc ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑥 ) ) = 𝑥 )
25 f1ocnvfv2 ( ( 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶𝑦𝐶 ) → ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑦 ) ) = 𝑦 )
26 22 15 25 syl2anc ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑦 ) ) = 𝑦 )
27 24 26 oveq12d ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑥 ) ) ( +g𝑆 ) ( 𝐹 ‘ ( 𝐹𝑦 ) ) ) = ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) )
28 20 27 eqtrd ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( 𝐹 ‘ ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ) = ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) )
29 4 adantr ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → 𝑅 ∈ Mnd )
30 29 adantr ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → 𝑅 ∈ Mnd )
31 1 17 mndcl ( ( 𝑅 ∈ Mnd ∧ ( 𝐹𝑥 ) ∈ 𝐵 ∧ ( 𝐹𝑦 ) ∈ 𝐵 ) → ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝐵 )
32 30 14 16 31 syl3anc ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝐵 )
33 f1ocnvfv ( ( 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ∧ ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ∈ 𝐵 ) → ( ( 𝐹 ‘ ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ) = ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) → ( 𝐹 ‘ ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) ) = ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ) )
34 22 32 33 syl2anc ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( ( 𝐹 ‘ ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ) = ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) → ( 𝐹 ‘ ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) ) = ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ) )
35 28 34 mpd ( ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) ∧ ( 𝑥𝐶𝑦𝐶 ) ) → ( 𝐹 ‘ ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) ) = ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) )
36 35 ralrimivva ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → ∀ 𝑥𝐶𝑦𝐶 ( 𝐹 ‘ ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) ) = ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) )
37 eqid ( 0g𝑅 ) = ( 0g𝑅 )
38 eqid ( 0g𝑆 ) = ( 0g𝑆 )
39 37 38 mhm0 ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) → ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑅 ) ) = ( 0g𝑆 ) )
40 39 adantr ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑅 ) ) = ( 0g𝑆 ) )
41 40 eqcomd ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → ( 0g𝑆 ) = ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑅 ) ) )
42 41 fveq2d ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑆 ) ) = ( 𝐹 ‘ ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑅 ) ) ) )
43 1 37 mndidcl ( 𝑅 ∈ Mnd → ( 0g𝑅 ) ∈ 𝐵 )
44 4 43 syl ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) → ( 0g𝑅 ) ∈ 𝐵 )
45 44 adantr ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → ( 0g𝑅 ) ∈ 𝐵 )
46 f1ocnvfv1 ( ( 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ∧ ( 0g𝑅 ) ∈ 𝐵 ) → ( 𝐹 ‘ ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑅 ) ) ) = ( 0g𝑅 ) )
47 21 45 46 syl2anc ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → ( 𝐹 ‘ ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑅 ) ) ) = ( 0g𝑅 ) )
48 42 47 eqtrd ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑆 ) ) = ( 0g𝑅 ) )
49 10 36 48 3jca ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → ( 𝐹 : 𝐶𝐵 ∧ ∀ 𝑥𝐶𝑦𝐶 ( 𝐹 ‘ ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) ) = ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ∧ ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑆 ) ) = ( 0g𝑅 ) ) )
50 2 1 18 17 38 37 ismhm ( 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) ↔ ( ( 𝑆 ∈ Mnd ∧ 𝑅 ∈ Mnd ) ∧ ( 𝐹 : 𝐶𝐵 ∧ ∀ 𝑥𝐶𝑦𝐶 ( 𝐹 ‘ ( 𝑥 ( +g𝑆 ) 𝑦 ) ) = ( ( 𝐹𝑥 ) ( +g𝑅 ) ( 𝐹𝑦 ) ) ∧ ( 𝐹 ‘ ( 0g𝑆 ) ) = ( 0g𝑅 ) ) ) )
51 6 49 50 sylanbrc ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ) → 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) )
52 1 2 mhmf ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) → 𝐹 : 𝐵𝐶 )
53 52 adantr ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) ) → 𝐹 : 𝐵𝐶 )
54 53 ffnd ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) ) → 𝐹 Fn 𝐵 )
55 2 1 mhmf ( 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) → 𝐹 : 𝐶𝐵 )
56 55 adantl ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) ) → 𝐹 : 𝐶𝐵 )
57 56 ffnd ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) ) → 𝐹 Fn 𝐶 )
58 dff1o4 ( 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 ↔ ( 𝐹 Fn 𝐵 𝐹 Fn 𝐶 ) )
59 54 57 58 sylanbrc ( ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) ∧ 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) ) → 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 )
60 51 59 impbida ( 𝐹 ∈ ( 𝑅 MndHom 𝑆 ) → ( 𝐹 : 𝐵1-1-onto𝐶 𝐹 ∈ ( 𝑆 MndHom 𝑅 ) ) )