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Theorem isnsg3 15708
Description: A subgroup is normal iff the conjugation of all the elements of the subgroup is in the subgroup. (Contributed by Mario Carneiro, 18-Jan-2015.)
Hypotheses
Ref Expression
isnsg3.1  |-  X  =  ( Base `  G
)
isnsg3.2  |-  .+  =  ( +g  `  G )
isnsg3.3  |-  .-  =  ( -g `  G )
Assertion
Ref Expression
isnsg3  |-  ( S  e.  (NrmSGrp `  G
)  <->  ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  ( ( x  .+  y )  .-  x
)  e.  S ) )
Distinct variable groups:    x, y,  .-    x, G, y    x,  .+ , y    x, S, y    x, X, y

Proof of Theorem isnsg3
Dummy variables  w  z are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 nsgsubg 15706 . . 3  |-  ( S  e.  (NrmSGrp `  G
)  ->  S  e.  (SubGrp `  G ) )
2 isnsg3.1 . . . . . 6  |-  X  =  ( Base `  G
)
3 isnsg3.2 . . . . . 6  |-  .+  =  ( +g  `  G )
4 isnsg3.3 . . . . . 6  |-  .-  =  ( -g `  G )
52, 3, 4nsgconj 15707 . . . . 5  |-  ( ( S  e.  (NrmSGrp `  G
)  /\  x  e.  X  /\  y  e.  S
)  ->  ( (
x  .+  y )  .-  x )  e.  S
)
653expb 1183 . . . 4  |-  ( ( S  e.  (NrmSGrp `  G
)  /\  ( x  e.  X  /\  y  e.  S ) )  -> 
( ( x  .+  y )  .-  x
)  e.  S )
76ralrimivva 2806 . . 3  |-  ( S  e.  (NrmSGrp `  G
)  ->  A. x  e.  X  A. y  e.  S  ( (
x  .+  y )  .-  x )  e.  S
)
81, 7jca 529 . 2  |-  ( S  e.  (NrmSGrp `  G
)  ->  ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  ( ( x  .+  y )  .-  x
)  e.  S ) )
9 simpl 454 . . 3  |-  ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  ->  S  e.  (SubGrp `  G )
)
10 subgrcl 15679 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( S  e.  (SubGrp `  G
)  ->  G  e.  Grp )
1110ad2antrr 720 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  G  e.  Grp )
12 simprll 756 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  z  e.  X )
13 eqid 2441 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( 0g
`  G )  =  ( 0g `  G
)
14 eqid 2441 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( invg `  G )  =  ( invg `  G )
152, 3, 13, 14grplinv 15577 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( G  e.  Grp  /\  z  e.  X )  ->  ( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  z )  =  ( 0g `  G ) )
1611, 12, 15syl2anc 656 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
( ( invg `  G ) `  z
)  .+  z )  =  ( 0g `  G ) )
1716oveq1d 6105 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  z )  .+  w
)  =  ( ( 0g `  G ) 
.+  w ) )
182, 14grpinvcl 15576 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( G  e.  Grp  /\  z  e.  X )  ->  ( ( invg `  G ) `  z
)  e.  X )
1911, 12, 18syl2anc 656 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
( invg `  G ) `  z
)  e.  X )
20 simprlr 757 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  w  e.  X )
212, 3grpass 15545 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( G  e.  Grp  /\  ( ( ( invg `  G ) `
 z )  e.  X  /\  z  e.  X  /\  w  e.  X ) )  -> 
( ( ( ( invg `  G
) `  z )  .+  z )  .+  w
)  =  ( ( ( invg `  G ) `  z
)  .+  ( z  .+  w ) ) )
2211, 19, 12, 20, 21syl13anc 1215 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  z )  .+  w
)  =  ( ( ( invg `  G ) `  z
)  .+  ( z  .+  w ) ) )
232, 3, 13grplid 15561 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( G  e.  Grp  /\  w  e.  X )  ->  ( ( 0g `  G )  .+  w
)  =  w )
2411, 20, 23syl2anc 656 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
( 0g `  G
)  .+  w )  =  w )
2517, 22, 243eqtr3d 2481 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
( ( invg `  G ) `  z
)  .+  ( z  .+  w ) )  =  w )
2625oveq1d 6105 . . . . . . 7  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  ( z  .+  w
) )  .-  (
( invg `  G ) `  z
) )  =  ( w  .-  ( ( invg `  G
) `  z )
) )
272, 3, 4, 14, 11, 20, 12grpsubinv 15592 . . . . . . 7  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
w  .-  ( ( invg `  G ) `
 z ) )  =  ( w  .+  z ) )
2826, 27eqtrd 2473 . . . . . 6  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  ( z  .+  w
) )  .-  (
( invg `  G ) `  z
) )  =  ( w  .+  z ) )
29 simprr 751 . . . . . . 7  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
z  .+  w )  e.  S )
30 simplr 749 . . . . . . 7  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  A. x  e.  X  A. y  e.  S  ( (
x  .+  y )  .-  x )  e.  S
)
31 oveq1 6097 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  =  ( ( invg `  G ) `
 z )  -> 
( x  .+  y
)  =  ( ( ( invg `  G ) `  z
)  .+  y )
)
32 id 22 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  =  ( ( invg `  G ) `
 z )  ->  x  =  ( ( invg `  G ) `
 z ) )
3331, 32oveq12d 6108 . . . . . . . . 9  |-  ( x  =  ( ( invg `  G ) `
 z )  -> 
( ( x  .+  y )  .-  x
)  =  ( ( ( ( invg `  G ) `  z
)  .+  y )  .-  ( ( invg `  G ) `  z
) ) )
3433eleq1d 2507 . . . . . . . 8  |-  ( x  =  ( ( invg `  G ) `
 z )  -> 
( ( ( x 
.+  y )  .-  x )  e.  S  <->  ( ( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  y )  .-  (
( invg `  G ) `  z
) )  e.  S
) )
35 oveq2 6098 . . . . . . . . . 10  |-  ( y  =  ( z  .+  w )  ->  (
( ( invg `  G ) `  z
)  .+  y )  =  ( ( ( invg `  G
) `  z )  .+  ( z  .+  w
) ) )
3635oveq1d 6105 . . . . . . . . 9  |-  ( y  =  ( z  .+  w )  ->  (
( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  y )  .-  (
( invg `  G ) `  z
) )  =  ( ( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  ( z  .+  w
) )  .-  (
( invg `  G ) `  z
) ) )
3736eleq1d 2507 . . . . . . . 8  |-  ( y  =  ( z  .+  w )  ->  (
( ( ( ( invg `  G
) `  z )  .+  y )  .-  (
( invg `  G ) `  z
) )  e.  S  <->  ( ( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  ( z  .+  w
) )  .-  (
( invg `  G ) `  z
) )  e.  S
) )
3834, 37rspc2va 3077 . . . . . . 7  |-  ( ( ( ( ( invg `  G ) `
 z )  e.  X  /\  ( z 
.+  w )  e.  S )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  ->  (
( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  ( z  .+  w
) )  .-  (
( invg `  G ) `  z
) )  e.  S
)
3919, 29, 30, 38syl21anc 1212 . . . . . 6  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
( ( ( invg `  G ) `
 z )  .+  ( z  .+  w
) )  .-  (
( invg `  G ) `  z
) )  e.  S
)
4028, 39eqeltrrd 2516 . . . . 5  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
( z  e.  X  /\  w  e.  X
)  /\  ( z  .+  w )  e.  S
) )  ->  (
w  .+  z )  e.  S )
4140expr 612 . . . 4  |-  ( ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  /\  (
z  e.  X  /\  w  e.  X )
)  ->  ( (
z  .+  w )  e.  S  ->  ( w 
.+  z )  e.  S ) )
4241ralrimivva 2806 . . 3  |-  ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  ->  A. z  e.  X  A. w  e.  X  ( (
z  .+  w )  e.  S  ->  ( w 
.+  z )  e.  S ) )
432, 3isnsg2 15704 . . 3  |-  ( S  e.  (NrmSGrp `  G
)  <->  ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. z  e.  X  A. w  e.  X  ( ( z  .+  w )  e.  S  ->  ( w  .+  z
)  e.  S ) ) )
449, 42, 43sylanbrc 659 . 2  |-  ( ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  (
( x  .+  y
)  .-  x )  e.  S )  ->  S  e.  (NrmSGrp `  G )
)
458, 44impbii 188 1  |-  ( S  e.  (NrmSGrp `  G
)  <->  ( S  e.  (SubGrp `  G )  /\  A. x  e.  X  A. y  e.  S  ( ( x  .+  y )  .-  x
)  e.  S ) )
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:    -> wi 4    <-> wb 184    /\ wa 369    = wceq 1364    e. wcel 1761   A.wral 2713   ` cfv 5415  (class class class)co 6090   Basecbs 14170   +g cplusg 14234   0gc0g 14374   Grpcgrp 15406   invgcminusg 15407   -gcsg 15409  SubGrpcsubg 15668  NrmSGrpcnsg 15669
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1596  ax-4 1607  ax-5 1675  ax-6 1713  ax-7 1733  ax-8 1763  ax-9 1765  ax-10 1780  ax-11 1785  ax-12 1797  ax-13 1948  ax-ext 2422  ax-rep 4400  ax-sep 4410  ax-nul 4418  ax-pow 4467  ax-pr 4528  ax-un 6371
This theorem depends on definitions:  df-bi 185  df-or 370  df-an 371  df-3an 962  df-tru 1367  df-ex 1592  df-nf 1595  df-sb 1706  df-eu 2263  df-mo 2264  df-clab 2428  df-cleq 2434  df-clel 2437  df-nfc 2566  df-ne 2606  df-ral 2718  df-rex 2719  df-reu 2720  df-rmo 2721  df-rab 2722  df-v 2972  df-sbc 3184  df-csb 3286  df-dif 3328  df-un 3330  df-in 3332  df-ss 3339  df-nul 3635  df-if 3789  df-pw 3859  df-sn 3875  df-pr 3877  df-op 3881  df-uni 4089  df-iun 4170  df-br 4290  df-opab 4348  df-mpt 4349  df-id 4632  df-xp 4842  df-rel 4843  df-cnv 4844  df-co 4845  df-dm 4846  df-rn 4847  df-res 4848  df-ima 4849  df-iota 5378  df-fun 5417  df-fn 5418  df-f 5419  df-f1 5420  df-fo 5421  df-f1o 5422  df-fv 5423  df-riota 6049  df-ov 6093  df-oprab 6094  df-mpt2 6095  df-1st 6576  df-2nd 6577  df-0g 14376  df-mnd 15411  df-grp 15538  df-minusg 15539  df-sbg 15540  df-subg 15671  df-nsg 15672
This theorem is referenced by:  nsgacs  15710  0nsg  15719  nsgid  15720  ghmnsgima  15763  ghmnsgpreima  15764  cntrsubgnsg  15851  clsnsg  19580
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