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Theorem tsmsgsum

Description: The convergent points of a finite topological group sum are the closure of the finite group sum operation. (Contributed by Mario Carneiro, 19-Sep-2015) (Revised by AV, 24-Jul-2019)

Ref Expression
Hypotheses tsmsid.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝐺 )
tsmsid.z 0 = ( 0g𝐺 )
tsmsid.1 ( 𝜑𝐺 ∈ CMnd )
tsmsid.2 ( 𝜑𝐺 ∈ TopSp )
tsmsid.a ( 𝜑𝐴𝑉 )
tsmsid.f ( 𝜑𝐹 : 𝐴𝐵 )
tsmsid.w ( 𝜑𝐹 finSupp 0 )
tsmsgsum.j 𝐽 = ( TopOpen ‘ 𝐺 )
Assertion tsmsgsum ( 𝜑 → ( 𝐺 tsums 𝐹 ) = ( ( cls ‘ 𝐽 ) ‘ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 tsmsid.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝐺 )
2 tsmsid.z 0 = ( 0g𝐺 )
3 tsmsid.1 ( 𝜑𝐺 ∈ CMnd )
4 tsmsid.2 ( 𝜑𝐺 ∈ TopSp )
5 tsmsid.a ( 𝜑𝐴𝑉 )
6 tsmsid.f ( 𝜑𝐹 : 𝐴𝐵 )
7 tsmsid.w ( 𝜑𝐹 finSupp 0 )
8 tsmsgsum.j 𝐽 = ( TopOpen ‘ 𝐺 )
9 1 8 istps ( 𝐺 ∈ TopSp ↔ 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) )
10 4 9 sylib ( 𝜑𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) )
11 toponuni ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → 𝐵 = 𝐽 )
12 10 11 syl ( 𝜑𝐵 = 𝐽 )
13 12 eleq2d ( 𝜑 → ( 𝑥𝐵𝑥 𝐽 ) )
14 elfpw ( 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ↔ ( 𝑦𝐴𝑦 ∈ Fin ) )
15 14 simplbi ( 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) → 𝑦𝐴 )
16 15 adantl ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝑦𝐴 )
17 suppssdm ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ dom 𝐹
18 17 6 fssdm ( 𝜑 → ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝐴 )
19 18 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝐴 )
20 16 19 unssd ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ⊆ 𝐴 )
21 elinel2 ( 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) → 𝑦 ∈ Fin )
22 21 adantl ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝑦 ∈ Fin )
23 7 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝐹 finSupp 0 )
24 23 fsuppimpd ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐹 supp 0 ) ∈ Fin )
25 unfi ( ( 𝑦 ∈ Fin ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ∈ Fin ) → ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ∈ Fin )
26 22 24 25 syl2anc ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ∈ Fin )
27 elfpw ( ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ↔ ( ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ⊆ 𝐴 ∧ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ∈ Fin ) )
28 20 26 27 sylanbrc ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) )
29 ssun1 𝑦 ⊆ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) )
30 id ( 𝑧 = ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) → 𝑧 = ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) )
31 29 30 sseqtrrid ( 𝑧 = ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) → 𝑦𝑧 )
32 pm5.5 ( 𝑦𝑧 → ( ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ↔ ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) )
33 31 32 syl ( 𝑧 = ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) → ( ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ↔ ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) )
34 reseq2 ( 𝑧 = ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) → ( 𝐹𝑧 ) = ( 𝐹 ↾ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ) )
35 34 oveq2d ( 𝑧 = ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) = ( 𝐺 Σg ( 𝐹 ↾ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ) ) )
36 35 eleq1d ( 𝑧 = ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) → ( ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ↔ ( 𝐺 Σg ( 𝐹 ↾ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ) ) ∈ 𝑢 ) )
37 33 36 bitrd ( 𝑧 = ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) → ( ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ↔ ( 𝐺 Σg ( 𝐹 ↾ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ) ) ∈ 𝑢 ) )
38 37 rspcv ( ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) → ( ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) → ( 𝐺 Σg ( 𝐹 ↾ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ) ) ∈ 𝑢 ) )
39 28 38 syl ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) → ( 𝐺 Σg ( 𝐹 ↾ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ) ) ∈ 𝑢 ) )
40 3 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝐺 ∈ CMnd )
41 5 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝐴𝑉 )
42 6 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → 𝐹 : 𝐴𝐵 )
43 ssun2 ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) )
44 43 a1i ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) )
45 1 2 40 41 42 44 23 gsumres ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( 𝐺 Σg ( 𝐹 ↾ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ) ) = ( 𝐺 Σg 𝐹 ) )
46 45 eleq1d ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ( 𝐺 Σg ( 𝐹 ↾ ( 𝑦 ∪ ( 𝐹 supp 0 ) ) ) ) ∈ 𝑢 ↔ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) )
47 39 46 sylibd ( ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) ∧ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) → ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) )
48 47 rexlimdva ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) → ( ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) → ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) )
49 7 fsuppimpd ( 𝜑 → ( 𝐹 supp 0 ) ∈ Fin )
50 elfpw ( ( 𝐹 supp 0 ) ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ↔ ( ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝐴 ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ∈ Fin ) )
51 18 49 50 sylanbrc ( 𝜑 → ( 𝐹 supp 0 ) ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) )
52 3 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) ∧ ( 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 ) ) → 𝐺 ∈ CMnd )
53 5 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) ∧ ( 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 ) ) → 𝐴𝑉 )
54 6 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) ∧ ( 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 ) ) → 𝐹 : 𝐴𝐵 )
55 simprr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) ∧ ( 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 ) ) → ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 )
56 7 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) ∧ ( 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 ) ) → 𝐹 finSupp 0 )
57 1 2 52 53 54 55 56 gsumres ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) ∧ ( 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 ) ) → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) = ( 𝐺 Σg 𝐹 ) )
58 simplrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) ∧ ( 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 ) ) → ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 )
59 57 58 eqeltrd ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) ∧ ( 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∧ ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 ) ) → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 )
60 59 expr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) ∧ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ) → ( ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) )
61 60 ralrimiva ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) → ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) )
62 sseq1 ( 𝑦 = ( 𝐹 supp 0 ) → ( 𝑦𝑧 ↔ ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 ) )
63 62 rspceaimv ( ( ( 𝐹 supp 0 ) ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∧ ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( ( 𝐹 supp 0 ) ⊆ 𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ) → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) )
64 51 61 63 syl2an2r ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑢𝐽 ∧ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) ) → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) )
65 64 expr ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) → ( ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ) )
66 48 65 impbid ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) → ( ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ↔ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ) )
67 disjsn ( ( 𝑢 ∩ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) = ∅ ↔ ¬ ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 )
68 67 necon2abii ( ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝑢 ↔ ( 𝑢 ∩ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ≠ ∅ )
69 66 68 bitrdi ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) → ( ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ↔ ( 𝑢 ∩ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ≠ ∅ ) )
70 69 imbi2d ( ( 𝜑𝑢𝐽 ) → ( ( 𝑥𝑢 → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ) ↔ ( 𝑥𝑢 → ( 𝑢 ∩ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ≠ ∅ ) ) )
71 70 ralbidva ( 𝜑 → ( ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑥𝑢 → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ) ↔ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑥𝑢 → ( 𝑢 ∩ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ≠ ∅ ) ) )
72 13 71 anbi12d ( 𝜑 → ( ( 𝑥𝐵 ∧ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑥𝑢 → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ) ) ↔ ( 𝑥 𝐽 ∧ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑥𝑢 → ( 𝑢 ∩ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ≠ ∅ ) ) ) )
73 eqid ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) = ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin )
74 1 8 73 3 4 5 6 eltsms ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ↔ ( 𝑥𝐵 ∧ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑥𝑢 → ∃ 𝑦 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ∀ 𝑧 ∈ ( 𝒫 𝐴 ∩ Fin ) ( 𝑦𝑧 → ( 𝐺 Σg ( 𝐹𝑧 ) ) ∈ 𝑢 ) ) ) ) )
75 topontop ( 𝐽 ∈ ( TopOn ‘ 𝐵 ) → 𝐽 ∈ Top )
76 10 75 syl ( 𝜑𝐽 ∈ Top )
77 1 2 3 5 6 7 gsumcl ( 𝜑 → ( 𝐺 Σg 𝐹 ) ∈ 𝐵 )
78 77 snssd ( 𝜑 → { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ⊆ 𝐵 )
79 78 12 sseqtrd ( 𝜑 → { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ⊆ 𝐽 )
80 eqid 𝐽 = 𝐽
81 80 elcls2 ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ⊆ 𝐽 ) → ( 𝑥 ∈ ( ( cls ‘ 𝐽 ) ‘ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ↔ ( 𝑥 𝐽 ∧ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑥𝑢 → ( 𝑢 ∩ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ≠ ∅ ) ) ) )
82 76 79 81 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( ( cls ‘ 𝐽 ) ‘ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ↔ ( 𝑥 𝐽 ∧ ∀ 𝑢𝐽 ( 𝑥𝑢 → ( 𝑢 ∩ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ≠ ∅ ) ) ) )
83 72 74 82 3bitr4d ( 𝜑 → ( 𝑥 ∈ ( 𝐺 tsums 𝐹 ) ↔ 𝑥 ∈ ( ( cls ‘ 𝐽 ) ‘ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) ) )
84 83 eqrdv ( 𝜑 → ( 𝐺 tsums 𝐹 ) = ( ( cls ‘ 𝐽 ) ‘ { ( 𝐺 Σg 𝐹 ) } ) )