Theorem isga 17724

Description: The predicate "is a (left) group action." The group G is said to act on the base set Y of the action, which is not assumed to have any special properties. There is a related notion of right group action, but as the Wikipedia article explains, it is not mathematically interesting. The way actions are usually thought of is that each element g of G is a permutation of the elements of Y (see gapm 17739). Since group theory was classically about symmetry groups, it is therefore likely that the notion of group action was useful even in early group theory. (Contributed by Jeff Hankins, 10-Aug-2009.) (Revised by Mario Carneiro, 13-Jan-2015.)

Hypotheses

Ref	Expression
isga.1	|- X = ( Base ` G )
isga.2	|- .+ = ( +g ` G )
isga.3	|- .0. = ( 0g ` G )

Assertion

Ref	Expression
isga	|- ( .(+) e. ( G GrpAct Y ) <-> ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) /\ ( .(+) : ( X X. Y ) --> Y /\ A. x e. Y ( ( .0. .(+) x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) ) ) )

Distinct variable groups:   x, y, z, G   y, X, z   x, Y, y, z   x, .(+) , y, z

Allowed substitution hints:   .+ ( x, y, z)   X( x)   .0. ( x, y, z)

Proof of Theorem isga

Dummy variables g b m s are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		df-ga 17723	. . 3 |- GrpAct = ( g e. Grp , s e. _V |-> [_ ( Base ` g ) / b ]_ { m e. ( s ^m ( b X. s ) ) | A. x e. s ( ( ( 0g ` g ) m x ) = x /\ A. y e. b A. z e. b ( ( y ( +g ` g ) z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) } )
2	1	elmpt2cl 6876	. 2 |- ( .(+) e. ( G GrpAct Y ) -> ( G e. Grp /\ Y e. _V ) )
3		fvexd 6203	. . . . . . 7 |- ( ( g = G /\ s = Y ) -> ( Base ` g ) e. _V )
4		simplr 792	. . . . . . . . 9 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> s = Y )
5		id 22	. . . . . . . . . . 11 |- ( b = ( Base ` g ) -> b = ( Base ` g ) )
6		simpl 473	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( g = G /\ s = Y ) -> g = G )
7	6	fveq2d 6195	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( g = G /\ s = Y ) -> ( Base ` g ) = ( Base ` G ) )
8		isga.1	. . . . . . . . . . . 12 |- X = ( Base ` G )
9	7, 8	syl6eqr 2674	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( g = G /\ s = Y ) -> ( Base ` g ) = X )
10	5, 9	sylan9eqr 2678	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> b = X )
11	10, 4	xpeq12d 5140	. . . . . . . . 9 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( b X. s ) = ( X X. Y ) )
12	4, 11	oveq12d 6668	. . . . . . . 8 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( s ^m ( b X. s ) ) = ( Y ^m ( X X. Y ) ) )
13		simpll 790	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> g = G )
14	13	fveq2d 6195	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( 0g ` g ) = ( 0g ` G ) )
15		isga.3	. . . . . . . . . . . . 13 |- .0. = ( 0g ` G )
16	14, 15	syl6eqr 2674	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( 0g ` g ) = .0. )
17	16	oveq1d 6665	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( ( 0g ` g ) m x ) = ( .0. m x ) )
18	17	eqeq1d 2624	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( ( ( 0g ` g ) m x ) = x <-> ( .0. m x ) = x ) )
19	13	fveq2d 6195	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( +g ` g ) = ( +g ` G ) )
20		isga.2	. . . . . . . . . . . . . . . 16 |- .+ = ( +g ` G )
21	19, 20	syl6eqr 2674	. . . . . . . . . . . . . . 15 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( +g ` g ) = .+ )
22	21	oveqd 6667	. . . . . . . . . . . . . 14 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( y ( +g ` g ) z ) = ( y .+ z ) )
23	22	oveq1d 6665	. . . . . . . . . . . . 13 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( ( y ( +g ` g ) z ) m x ) = ( ( y .+ z ) m x ) )
24	23	eqeq1d 2624	. . . . . . . . . . . 12 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( ( ( y ( +g ` g ) z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) <-> ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) )
25	10, 24	raleqbidv 3152	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( A. z e. b ( ( y ( +g ` g ) z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) <-> A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) )
26	10, 25	raleqbidv 3152	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( A. y e. b A. z e. b ( ( y ( +g ` g ) z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) <-> A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) )
27	18, 26	anbi12d 747	. . . . . . . . 9 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( ( ( ( 0g ` g ) m x ) = x /\ A. y e. b A. z e. b ( ( y ( +g ` g ) z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) <-> ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) ) )
28	4, 27	raleqbidv 3152	. . . . . . . 8 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> ( A. x e. s ( ( ( 0g ` g ) m x ) = x /\ A. y e. b A. z e. b ( ( y ( +g ` g ) z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) <-> A. x e. Y ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) ) )
29	12, 28	rabeqbidv 3195	. . . . . . 7 |- ( ( ( g = G /\ s = Y ) /\ b = ( Base ` g ) ) -> { m e. ( s ^m ( b X. s ) ) | A. x e. s ( ( ( 0g ` g ) m x ) = x /\ A. y e. b A. z e. b ( ( y ( +g ` g ) z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) } = { m e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) | A. x e. Y ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) } )
30	3, 29	csbied 3560	. . . . . 6 |- ( ( g = G /\ s = Y ) -> [_ ( Base ` g ) / b ]_ { m e. ( s ^m ( b X. s ) ) | A. x e. s ( ( ( 0g ` g ) m x ) = x /\ A. y e. b A. z e. b ( ( y ( +g ` g ) z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) } = { m e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) | A. x e. Y ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) } )
31		ovex 6678	. . . . . . 7 |- ( Y ^m ( X X. Y ) ) e. _V
32	31	rabex 4813	. . . . . 6 |- { m e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) | A. x e. Y ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) } e. _V
33	30, 1, 32	ovmpt2a 6791	. . . . 5 |- ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) -> ( G GrpAct Y ) = { m e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) | A. x e. Y ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) } )
34	33	eleq2d 2687	. . . 4 |- ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) -> ( .(+) e. ( G GrpAct Y ) <-> .(+) e. { m e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) | A. x e. Y ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) } ) )
35		oveq 6656	. . . . . . . 8 |- ( m = .(+) -> ( .0. m x ) = ( .0. .(+) x ) )
36	35	eqeq1d 2624	. . . . . . 7 |- ( m = .(+) -> ( ( .0. m x ) = x <-> ( .0. .(+) x ) = x ) )
37		oveq 6656	. . . . . . . . 9 |- ( m = .(+) -> ( ( y .+ z ) m x ) = ( ( y .+ z ) .(+) x ) )
38		oveq 6656	. . . . . . . . . 10 |- ( m = .(+) -> ( y m ( z m x ) ) = ( y .(+) ( z m x ) ) )
39		oveq 6656	. . . . . . . . . . 11 |- ( m = .(+) -> ( z m x ) = ( z .(+) x ) )
40	39	oveq2d 6666	. . . . . . . . . 10 |- ( m = .(+) -> ( y .(+) ( z m x ) ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) )
41	38, 40	eqtrd 2656	. . . . . . . . 9 |- ( m = .(+) -> ( y m ( z m x ) ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) )
42	37, 41	eqeq12d 2637	. . . . . . . 8 |- ( m = .(+) -> ( ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) <-> ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) )
43	42	2ralbidv 2989	. . . . . . 7 |- ( m = .(+) -> ( A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) <-> A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) )
44	36, 43	anbi12d 747	. . . . . 6 |- ( m = .(+) -> ( ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) <-> ( ( .0. .(+) x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) ) )
45	44	ralbidv 2986	. . . . 5 |- ( m = .(+) -> ( A. x e. Y ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) <-> A. x e. Y ( ( .0. .(+) x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) ) )
46	45	elrab 3363	. . . 4 |- ( .(+) e. { m e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) | A. x e. Y ( ( .0. m x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) m x ) = ( y m ( z m x ) ) ) } <-> ( .(+) e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) /\ A. x e. Y ( ( .0. .(+) x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) ) )
47	34, 46	syl6bb 276	. . 3 |- ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) -> ( .(+) e. ( G GrpAct Y ) <-> ( .(+) e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) /\ A. x e. Y ( ( .0. .(+) x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) ) ) )
48		simpr 477	. . . . 5 |- ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) -> Y e. _V )
49		fvex 6201	. . . . . . 7 |- ( Base ` G ) e. _V
50	8, 49	eqeltri 2697	. . . . . 6 |- X e. _V
51		xpexg 6960	. . . . . 6 |- ( ( X e. _V /\ Y e. _V ) -> ( X X. Y ) e. _V )
52	50, 48, 51	sylancr 695	. . . . 5 |- ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) -> ( X X. Y ) e. _V )
53	48, 52	elmapd 7871	. . . 4 |- ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) -> ( .(+) e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) <-> .(+) : ( X X. Y ) --> Y ) )
54	53	anbi1d 741	. . 3 |- ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) -> ( ( .(+) e. ( Y ^m ( X X. Y ) ) /\ A. x e. Y ( ( .0. .(+) x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) ) <-> ( .(+) : ( X X. Y ) --> Y /\ A. x e. Y ( ( .0. .(+) x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) ) ) )
55	47, 54	bitrd 268	. 2 |- ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) -> ( .(+) e. ( G GrpAct Y ) <-> ( .(+) : ( X X. Y ) --> Y /\ A. x e. Y ( ( .0. .(+) x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) ) ) )
56	2, 55	biadan2 674	1 |- ( .(+) e. ( G GrpAct Y ) <-> ( ( G e. Grp /\ Y e. _V ) /\ ( .(+) : ( X X. Y ) --> Y /\ A. x e. Y ( ( .0. .(+) x ) = x /\ A. y e. X A. z e. X ( ( y .+ z ) .(+) x ) = ( y .(+) ( z .(+) x ) ) ) ) ) )

Syntax hints:   <-> wb 196   /\ wa 384   = wceq 1483   e. wcel 1990   A.wral 2912   {crab 2916   _Vcvv 3200   [_csb 3533   X. cxp 5112   -->wf 5884   ` cfv 5888  (class class class)co 6650   ^m cmap 7857   Basecbs 15857   +g cplusg 15941   0gc0g 16100   Grpcgrp 17422   GrpAct cga 17722

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1722  ax-4 1737  ax-5 1839  ax-6 1888  ax-7 1935  ax-8 1992  ax-9 1999  ax-10 2019  ax-11 2034  ax-12 2047  ax-13 2246  ax-ext 2602  ax-sep 4781  ax-nul 4789  ax-pow 4843  ax-pr 4906  ax-un 6949

This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 385  df-an 386  df-3an 1039  df-tru 1486  df-ex 1705  df-nf 1710  df-sb 1881  df-eu 2474  df-mo 2475  df-clab 2609  df-cleq 2615  df-clel 2618  df-nfc 2753  df-ne 2795  df-ral 2917  df-rex 2918  df-rab 2921  df-v 3202  df-sbc 3436  df-csb 3534  df-dif 3577  df-un 3579  df-in 3581  df-ss 3588  df-nul 3916  df-if 4087  df-pw 4160  df-sn 4178  df-pr 4180  df-op 4184  df-uni 4437  df-br 4654  df-opab 4713  df-id 5024  df-xp 5120  df-rel 5121  df-cnv 5122  df-co 5123  df-dm 5124  df-rn 5125  df-iota 5851  df-fun 5890  df-fn 5891  df-f 5892  df-fv 5896  df-ov 6653  df-oprab 6654  df-mpt2 6655  df-map 7859  df-ga 17723

This theorem is referenced by:  gagrp  17725  gaset  17726  gagrpid  17727  gaf  17728  gaass  17730  ga0  17731  gaid  17732  subgga  17733  gass  17734  gasubg  17735  lactghmga  17824  sylow1lem2  18014  sylow2blem2  18036  sylow3lem1  18042