MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  sylow1lem5 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem sylow1lem5 18017
Description: Lemma for sylow1 18018. Using Lagrange's theorem and the orbit-stabilizer theorem, show that there is a subgroup with size exactly 𝑃𝑁. (Contributed by Mario Carneiro, 16-Jan-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
sylow1.x 𝑋 = (Base‘𝐺)
sylow1.g (𝜑𝐺 ∈ Grp)
sylow1.f (𝜑𝑋 ∈ Fin)
sylow1.p (𝜑𝑃 ∈ ℙ)
sylow1.n (𝜑𝑁 ∈ ℕ0)
sylow1.d (𝜑 → (𝑃𝑁) ∥ (#‘𝑋))
sylow1lem.a + = (+g𝐺)
sylow1lem.s 𝑆 = {𝑠 ∈ 𝒫 𝑋 ∣ (#‘𝑠) = (𝑃𝑁)}
sylow1lem.m = (𝑥𝑋, 𝑦𝑆 ↦ ran (𝑧𝑦 ↦ (𝑥 + 𝑧)))
sylow1lem3.1 = {⟨𝑥, 𝑦⟩ ∣ ({𝑥, 𝑦} ⊆ 𝑆 ∧ ∃𝑔𝑋 (𝑔 𝑥) = 𝑦)}
sylow1lem4.b (𝜑𝐵𝑆)
sylow1lem4.h 𝐻 = {𝑢𝑋 ∣ (𝑢 𝐵) = 𝐵}
sylow1lem5.l (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘𝑋)) − 𝑁))
Assertion
Ref Expression
sylow1lem5 (𝜑 → ∃ ∈ (SubGrp‘𝐺)(#‘) = (𝑃𝑁))
Distinct variable groups:   𝑔,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧,𝐵   𝑔,,𝐻,𝑥,𝑦   𝑆,𝑔,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑔,𝑁   ,𝑠,𝑢,𝑧,𝑁,𝑥,𝑦   𝑔,𝑋,,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   + ,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑧,   ,𝑔,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑔,𝐺,,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝑃,𝑔,,𝑠,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧   𝜑,𝑢,𝑥,𝑦,𝑧
Allowed substitution hints:   𝜑(𝑔,,𝑠)   𝐵()   + (𝑔,)   (,𝑠)   (𝑥,𝑦,𝑢,𝑔,,𝑠)   𝑆(,𝑠)   𝐻(𝑧,𝑢,𝑠)

Proof of Theorem sylow1lem5
StepHypRef Expression
1 sylow1.x . . . 4 𝑋 = (Base‘𝐺)
2 sylow1.g . . . 4 (𝜑𝐺 ∈ Grp)
3 sylow1.f . . . 4 (𝜑𝑋 ∈ Fin)
4 sylow1.p . . . 4 (𝜑𝑃 ∈ ℙ)
5 sylow1.n . . . 4 (𝜑𝑁 ∈ ℕ0)
6 sylow1.d . . . 4 (𝜑 → (𝑃𝑁) ∥ (#‘𝑋))
7 sylow1lem.a . . . 4 + = (+g𝐺)
8 sylow1lem.s . . . 4 𝑆 = {𝑠 ∈ 𝒫 𝑋 ∣ (#‘𝑠) = (𝑃𝑁)}
9 sylow1lem.m . . . 4 = (𝑥𝑋, 𝑦𝑆 ↦ ran (𝑧𝑦 ↦ (𝑥 + 𝑧)))
101, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9sylow1lem2 18014 . . 3 (𝜑 ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆))
11 sylow1lem4.b . . 3 (𝜑𝐵𝑆)
12 sylow1lem4.h . . . 4 𝐻 = {𝑢𝑋 ∣ (𝑢 𝐵) = 𝐵}
131, 12gastacl 17742 . . 3 (( ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) ∧ 𝐵𝑆) → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
1410, 11, 13syl2anc 693 . 2 (𝜑𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
15 sylow1lem3.1 . . . 4 = {⟨𝑥, 𝑦⟩ ∣ ({𝑥, 𝑦} ⊆ 𝑆 ∧ ∃𝑔𝑋 (𝑔 𝑥) = 𝑦)}
161, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 15, 11, 12sylow1lem4 18016 . . 3 (𝜑 → (#‘𝐻) ≤ (𝑃𝑁))
17 sylow1lem5.l . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘𝑋)) − 𝑁))
1815, 1gaorber 17741 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ( ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) → Er 𝑆)
1910, 18syl 17 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝜑 Er 𝑆)
20 erdm 7752 . . . . . . . . . . . . . . 15 ( Er 𝑆 → dom = 𝑆)
2119, 20syl 17 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → dom = 𝑆)
2211, 21eleqtrrd 2704 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑𝐵 ∈ dom )
23 ecdmn0 7789 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐵 ∈ dom ↔ [𝐵] ≠ ∅)
2422, 23sylib 208 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → [𝐵] ≠ ∅)
25 pwfi 8261 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑋 ∈ Fin ↔ 𝒫 𝑋 ∈ Fin)
263, 25sylib 208 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝜑 → 𝒫 𝑋 ∈ Fin)
27 ssrab2 3687 . . . . . . . . . . . . . . . 16 {𝑠 ∈ 𝒫 𝑋 ∣ (#‘𝑠) = (𝑃𝑁)} ⊆ 𝒫 𝑋
288, 27eqsstri 3635 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑆 ⊆ 𝒫 𝑋
29 ssfi 8180 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝒫 𝑋 ∈ Fin ∧ 𝑆 ⊆ 𝒫 𝑋) → 𝑆 ∈ Fin)
3026, 28, 29sylancl 694 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑𝑆 ∈ Fin)
3119ecss 7788 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → [𝐵] 𝑆)
32 ssfi 8180 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑆 ∈ Fin ∧ [𝐵] 𝑆) → [𝐵] ∈ Fin)
3330, 31, 32syl2anc 693 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → [𝐵] ∈ Fin)
34 hashnncl 13157 . . . . . . . . . . . . 13 ([𝐵] ∈ Fin → ((#‘[𝐵] ) ∈ ℕ ↔ [𝐵] ≠ ∅))
3533, 34syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → ((#‘[𝐵] ) ∈ ℕ ↔ [𝐵] ≠ ∅))
3624, 35mpbird 247 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (#‘[𝐵] ) ∈ ℕ)
374, 36pccld 15555 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ∈ ℕ0)
3837nn0red 11352 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ∈ ℝ)
395nn0red 11352 . . . . . . . . 9 (𝜑𝑁 ∈ ℝ)
401grpbn0 17451 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐺 ∈ Grp → 𝑋 ≠ ∅)
412, 40syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑𝑋 ≠ ∅)
42 hashnncl 13157 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑋 ∈ Fin → ((#‘𝑋) ∈ ℕ ↔ 𝑋 ≠ ∅))
433, 42syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → ((#‘𝑋) ∈ ℕ ↔ 𝑋 ≠ ∅))
4441, 43mpbird 247 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (#‘𝑋) ∈ ℕ)
454, 44pccld 15555 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) ∈ ℕ0)
4645nn0red 11352 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) ∈ ℝ)
47 leaddsub 10504 . . . . . . . . 9 (((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ∈ ℝ ∧ 𝑁 ∈ ℝ ∧ (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) ∈ ℝ) → (((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + 𝑁) ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) ↔ (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘𝑋)) − 𝑁)))
4838, 39, 46, 47syl3anc 1326 . . . . . . . 8 (𝜑 → (((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + 𝑁) ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) ↔ (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘𝑋)) − 𝑁)))
4917, 48mpbird 247 . . . . . . 7 (𝜑 → ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + 𝑁) ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝑋)))
50 eqid 2622 . . . . . . . . . . 11 (𝐺 ~QG 𝐻) = (𝐺 ~QG 𝐻)
511, 12, 50, 15orbsta2 17747 . . . . . . . . . 10 ((( ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) ∧ 𝐵𝑆) ∧ 𝑋 ∈ Fin) → (#‘𝑋) = ((#‘[𝐵] ) · (#‘𝐻)))
5210, 11, 3, 51syl21anc 1325 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘𝑋) = ((#‘[𝐵] ) · (#‘𝐻)))
5352oveq2d 6666 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) = (𝑃 pCnt ((#‘[𝐵] ) · (#‘𝐻))))
5436nnzd 11481 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘[𝐵] ) ∈ ℤ)
5536nnne0d 11065 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘[𝐵] ) ≠ 0)
56 eqid 2622 . . . . . . . . . . . . . 14 (0g𝐺) = (0g𝐺)
5756subg0cl 17602 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) → (0g𝐺) ∈ 𝐻)
5814, 57syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → (0g𝐺) ∈ 𝐻)
59 ne0i 3921 . . . . . . . . . . . 12 ((0g𝐺) ∈ 𝐻𝐻 ≠ ∅)
6058, 59syl 17 . . . . . . . . . . 11 (𝜑𝐻 ≠ ∅)
61 ssrab2 3687 . . . . . . . . . . . . . 14 {𝑢𝑋 ∣ (𝑢 𝐵) = 𝐵} ⊆ 𝑋
6212, 61eqsstri 3635 . . . . . . . . . . . . 13 𝐻𝑋
63 ssfi 8180 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑋 ∈ Fin ∧ 𝐻𝑋) → 𝐻 ∈ Fin)
643, 62, 63sylancl 694 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑𝐻 ∈ Fin)
65 hashnncl 13157 . . . . . . . . . . . 12 (𝐻 ∈ Fin → ((#‘𝐻) ∈ ℕ ↔ 𝐻 ≠ ∅))
6664, 65syl 17 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → ((#‘𝐻) ∈ ℕ ↔ 𝐻 ≠ ∅))
6760, 66mpbird 247 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (#‘𝐻) ∈ ℕ)
6867nnzd 11481 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘𝐻) ∈ ℤ)
6967nnne0d 11065 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘𝐻) ≠ 0)
70 pcmul 15556 . . . . . . . . 9 ((𝑃 ∈ ℙ ∧ ((#‘[𝐵] ) ∈ ℤ ∧ (#‘[𝐵] ) ≠ 0) ∧ ((#‘𝐻) ∈ ℤ ∧ (#‘𝐻) ≠ 0)) → (𝑃 pCnt ((#‘[𝐵] ) · (#‘𝐻))) = ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + (𝑃 pCnt (#‘𝐻))))
714, 54, 55, 68, 69, 70syl122anc 1335 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt ((#‘[𝐵] ) · (#‘𝐻))) = ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + (𝑃 pCnt (#‘𝐻))))
7253, 71eqtrd 2656 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) = ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + (𝑃 pCnt (#‘𝐻))))
7349, 72breqtrd 4679 . . . . . 6 (𝜑 → ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + 𝑁) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + (𝑃 pCnt (#‘𝐻))))
744, 67pccld 15555 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ∈ ℕ0)
7574nn0red 11352 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ∈ ℝ)
7639, 75, 38leadd2d 10622 . . . . . 6 (𝜑 → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ↔ ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + 𝑁) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + (𝑃 pCnt (#‘𝐻)))))
7773, 76mpbird 247 . . . . 5 (𝜑𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝐻)))
78 pcdvdsb 15573 . . . . . 6 ((𝑃 ∈ ℙ ∧ (#‘𝐻) ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ↔ (𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻)))
794, 68, 5, 78syl3anc 1326 . . . . 5 (𝜑 → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ↔ (𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻)))
8077, 79mpbid 222 . . . 4 (𝜑 → (𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻))
81 prmnn 15388 . . . . . . . 8 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
824, 81syl 17 . . . . . . 7 (𝜑𝑃 ∈ ℕ)
8382, 5nnexpcld 13030 . . . . . 6 (𝜑 → (𝑃𝑁) ∈ ℕ)
8483nnzd 11481 . . . . 5 (𝜑 → (𝑃𝑁) ∈ ℤ)
85 dvdsle 15032 . . . . 5 (((𝑃𝑁) ∈ ℤ ∧ (#‘𝐻) ∈ ℕ) → ((𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻) → (𝑃𝑁) ≤ (#‘𝐻)))
8684, 67, 85syl2anc 693 . . . 4 (𝜑 → ((𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻) → (𝑃𝑁) ≤ (#‘𝐻)))
8780, 86mpd 15 . . 3 (𝜑 → (𝑃𝑁) ≤ (#‘𝐻))
88 hashcl 13147 . . . . . 6 (𝐻 ∈ Fin → (#‘𝐻) ∈ ℕ0)
8964, 88syl 17 . . . . 5 (𝜑 → (#‘𝐻) ∈ ℕ0)
9089nn0red 11352 . . . 4 (𝜑 → (#‘𝐻) ∈ ℝ)
9183nnred 11035 . . . 4 (𝜑 → (𝑃𝑁) ∈ ℝ)
9290, 91letri3d 10179 . . 3 (𝜑 → ((#‘𝐻) = (𝑃𝑁) ↔ ((#‘𝐻) ≤ (𝑃𝑁) ∧ (𝑃𝑁) ≤ (#‘𝐻))))
9316, 87, 92mpbir2and 957 . 2 (𝜑 → (#‘𝐻) = (𝑃𝑁))
94 fveq2 6191 . . . 4 ( = 𝐻 → (#‘) = (#‘𝐻))
9594eqeq1d 2624 . . 3 ( = 𝐻 → ((#‘) = (𝑃𝑁) ↔ (#‘𝐻) = (𝑃𝑁)))
9695rspcev 3309 . 2 ((𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) ∧ (#‘𝐻) = (𝑃𝑁)) → ∃ ∈ (SubGrp‘𝐺)(#‘) = (𝑃𝑁))
9714, 93, 96syl2anc 693 1 (𝜑 → ∃ ∈ (SubGrp‘𝐺)(#‘) = (𝑃𝑁))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 196  wa 384   = wceq 1483  wcel 1990  wne 2794  wrex 2913  {crab 2916  wss 3574  c0 3915  𝒫 cpw 4158  {cpr 4179   class class class wbr 4653  {copab 4712  cmpt 4729  dom cdm 5114  ran crn 5115  cfv 5888  (class class class)co 6650  cmpt2 6652   Er wer 7739  [cec 7740  Fincfn 7955  cr 9935  0cc0 9936   + caddc 9939   · cmul 9941  cle 10075  cmin 10266  cn 11020  0cn0 11292  cz 11377  cexp 12860  #chash 13117  cdvds 14983  cprime 15385   pCnt cpc 15541  Basecbs 15857  +gcplusg 15941  0gc0g 16100  Grpcgrp 17422  SubGrpcsubg 17588   ~QG cqg 17590   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-rep 4771  ax-sep 4781  ax-nul 4789  ax-pow 4843  ax-pr 4906  ax-un 6949  ax-inf2 8538  ax-cnex 9992  ax-resscn 9993  ax-1cn 9994  ax-icn 9995  ax-addcl 9996  ax-addrcl 9997  ax-mulcl 9998  ax-mulrcl 9999  ax-mulcom 10000  ax-addass 10001  ax-mulass 10002  ax-distr 10003  ax-i2m1 10004  ax-1ne0 10005  ax-1rid 10006  ax-rnegex 10007  ax-rrecex 10008  ax-cnre 10009  ax-pre-lttri 10010  ax-pre-lttrn 10011  ax-pre-ltadd 10012  ax-pre-mulgt0 10013  ax-pre-sup 10014
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-or 385  df-an 386  df-3or 1038  df-3an 1039  df-tru 1486  df-fal 1489  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-nel 2898  df-ral 2917  df-rex 2918  df-reu 2919  df-rmo 2920  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-pss 3590  df-nul 3916  df-if 4087  df-pw 4160  df-sn 4178  df-pr 4180  df-tp 4182  df-op 4184  df-uni 4437  df-int 4476  df-iun 4522  df-disj 4621  df-br 4654  df-opab 4713  df-mpt 4730  df-tr 4753  df-id 5024  df-eprel 5029  df-po 5035  df-so 5036  df-fr 5073  df-se 5074  df-we 5075  df-xp 5120  df-rel 5121  df-cnv 5122  df-co 5123  df-dm 5124  df-rn 5125  df-res 5126  df-ima 5127  df-pred 5680  df-ord 5726  df-on 5727  df-lim 5728  df-suc 5729  df-iota 5851  df-fun 5890  df-fn 5891  df-f 5892  df-f1 5893  df-fo 5894  df-f1o 5895  df-fv 5896  df-isom 5897  df-riota 6611  df-ov 6653  df-oprab 6654  df-mpt2 6655  df-om 7066  df-1st 7168  df-2nd 7169  df-wrecs 7407  df-recs 7468  df-rdg 7506  df-1o 7560  df-2o 7561  df-oadd 7564  df-er 7742  df-ec 7744  df-qs 7748  df-map 7859  df-en 7956  df-dom 7957  df-sdom 7958  df-fin 7959  df-sup 8348  df-inf 8349  df-oi 8415  df-card 8765  df-pnf 10076  df-mnf 10077  df-xr 10078  df-ltxr 10079  df-le 10080  df-sub 10268  df-neg 10269  df-div 10685  df-nn 11021  df-2 11079  df-3 11080  df-n0 11293  df-xnn0 11364  df-z 11378  df-uz 11688  df-q 11789  df-rp 11833  df-fz 12327  df-fzo 12466  df-fl 12593  df-mod 12669  df-seq 12802  df-exp 12861  df-hash 13118  df-cj 13839  df-re 13840  df-im 13841  df-sqrt 13975  df-abs 13976  df-clim 14219  df-sum 14417  df-dvds 14984  df-gcd 15217  df-prm 15386  df-pc 15542  df-ndx 15860  df-slot 15861  df-base 15863  df-sets 15864  df-ress 15865  df-plusg 15954  df-0g 16102  df-mgm 17242  df-sgrp 17284  df-mnd 17295  df-grp 17425  df-minusg 17426  df-subg 17591  df-eqg 17593  df-ga 17723
This theorem is referenced by:  sylow1  18018
  Copyright terms: Public domain W3C validator