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

Theorem sylow1lem5 17840
Description: Lemma for sylow1 17841. 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 17837 . . 3 (𝜑 ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆))
11 sylow1lem4.b . . 3 (𝜑𝐵𝑆)
12 sylow1lem4.h . . . 4 𝐻 = {𝑢𝑋 ∣ (𝑢 𝐵) = 𝐵}
131, 12gastacl 17565 . . 3 (( ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) ∧ 𝐵𝑆) → 𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺))
1410, 11, 13syl2anc 691 . 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 17839 . . 3 (𝜑 → (#‘𝐻) ≤ (𝑃𝑁))
17 sylow1lem5.l . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘𝑋)) − 𝑁))
1815, 1gaorber 17564 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ( ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) → Er 𝑆)
1910, 18syl 17 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝜑 Er 𝑆)
20 erdm 7639 . . . . . . . . . . . . . . 15 ( Er 𝑆 → dom = 𝑆)
2119, 20syl 17 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → dom = 𝑆)
2211, 21eleqtrrd 2691 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑𝐵 ∈ dom )
23 ecdmn0 7676 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐵 ∈ dom ↔ [𝐵] ≠ ∅)
2422, 23sylib 207 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → [𝐵] ≠ ∅)
25 pwfi 8144 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝑋 ∈ Fin ↔ 𝒫 𝑋 ∈ Fin)
263, 25sylib 207 . . . . . . . . . . . . . . 15 (𝜑 → 𝒫 𝑋 ∈ Fin)
27 ssrab2 3650 . . . . . . . . . . . . . . . 16 {𝑠 ∈ 𝒫 𝑋 ∣ (#‘𝑠) = (𝑃𝑁)} ⊆ 𝒫 𝑋
288, 27eqsstri 3598 . . . . . . . . . . . . . . 15 𝑆 ⊆ 𝒫 𝑋
29 ssfi 8065 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((𝒫 𝑋 ∈ Fin ∧ 𝑆 ⊆ 𝒫 𝑋) → 𝑆 ∈ Fin)
3026, 28, 29sylancl 693 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑𝑆 ∈ Fin)
3119ecss 7675 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝜑 → [𝐵] 𝑆)
32 ssfi 8065 . . . . . . . . . . . . . 14 ((𝑆 ∈ Fin ∧ [𝐵] 𝑆) → [𝐵] ∈ Fin)
3330, 31, 32syl2anc 691 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → [𝐵] ∈ Fin)
34 hashnncl 13018 . . . . . . . . . . . . 13 ([𝐵] ∈ Fin → ((#‘[𝐵] ) ∈ ℕ ↔ [𝐵] ≠ ∅))
3533, 34syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → ((#‘[𝐵] ) ∈ ℕ ↔ [𝐵] ≠ ∅))
3624, 35mpbird 246 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (#‘[𝐵] ) ∈ ℕ)
374, 36pccld 15393 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ∈ ℕ0)
3837nn0red 11229 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ∈ ℝ)
395nn0red 11229 . . . . . . . . 9 (𝜑𝑁 ∈ ℝ)
401grpbn0 17274 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐺 ∈ Grp → 𝑋 ≠ ∅)
412, 40syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑𝑋 ≠ ∅)
42 hashnncl 13018 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑋 ∈ Fin → ((#‘𝑋) ∈ ℕ ↔ 𝑋 ≠ ∅))
433, 42syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → ((#‘𝑋) ∈ ℕ ↔ 𝑋 ≠ ∅))
4441, 43mpbird 246 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (#‘𝑋) ∈ ℕ)
454, 44pccld 15393 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) ∈ ℕ0)
4645nn0red 11229 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) ∈ ℝ)
47 leaddsub 10383 . . . . . . . . 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 1318 . . . . . . . 8 (𝜑 → (((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + 𝑁) ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) ↔ (𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘𝑋)) − 𝑁)))
4917, 48mpbird 246 . . . . . . 7 (𝜑 → ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + 𝑁) ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝑋)))
50 eqid 2610 . . . . . . . . . . 11 (𝐺 ~QG 𝐻) = (𝐺 ~QG 𝐻)
511, 12, 50, 15orbsta2 17570 . . . . . . . . . 10 ((( ∈ (𝐺 GrpAct 𝑆) ∧ 𝐵𝑆) ∧ 𝑋 ∈ Fin) → (#‘𝑋) = ((#‘[𝐵] ) · (#‘𝐻)))
5210, 11, 3, 51syl21anc 1317 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘𝑋) = ((#‘[𝐵] ) · (#‘𝐻)))
5352oveq2d 6565 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) = (𝑃 pCnt ((#‘[𝐵] ) · (#‘𝐻))))
5436nnzd 11357 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘[𝐵] ) ∈ ℤ)
5536nnne0d 10942 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘[𝐵] ) ≠ 0)
56 eqid 2610 . . . . . . . . . . . . . 14 (0g𝐺) = (0g𝐺)
5756subg0cl 17425 . . . . . . . . . . . . 13 (𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) → (0g𝐺) ∈ 𝐻)
5814, 57syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → (0g𝐺) ∈ 𝐻)
59 ne0i 3880 . . . . . . . . . . . 12 ((0g𝐺) ∈ 𝐻𝐻 ≠ ∅)
6058, 59syl 17 . . . . . . . . . . 11 (𝜑𝐻 ≠ ∅)
61 ssrab2 3650 . . . . . . . . . . . . . 14 {𝑢𝑋 ∣ (𝑢 𝐵) = 𝐵} ⊆ 𝑋
6212, 61eqsstri 3598 . . . . . . . . . . . . 13 𝐻𝑋
63 ssfi 8065 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝑋 ∈ Fin ∧ 𝐻𝑋) → 𝐻 ∈ Fin)
643, 62, 63sylancl 693 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑𝐻 ∈ Fin)
65 hashnncl 13018 . . . . . . . . . . . 12 (𝐻 ∈ Fin → ((#‘𝐻) ∈ ℕ ↔ 𝐻 ≠ ∅))
6664, 65syl 17 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → ((#‘𝐻) ∈ ℕ ↔ 𝐻 ≠ ∅))
6760, 66mpbird 246 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (#‘𝐻) ∈ ℕ)
6867nnzd 11357 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘𝐻) ∈ ℤ)
6967nnne0d 10942 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (#‘𝐻) ≠ 0)
70 pcmul 15394 . . . . . . . . 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 1327 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt ((#‘[𝐵] ) · (#‘𝐻))) = ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + (𝑃 pCnt (#‘𝐻))))
7253, 71eqtrd 2644 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝑋)) = ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + (𝑃 pCnt (#‘𝐻))))
7349, 72breqtrd 4609 . . . . . 6 (𝜑 → ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + 𝑁) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + (𝑃 pCnt (#‘𝐻))))
744, 67pccld 15393 . . . . . . . 8 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ∈ ℕ0)
7574nn0red 11229 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ∈ ℝ)
7639, 75, 38leadd2d 10501 . . . . . 6 (𝜑 → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ↔ ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + 𝑁) ≤ ((𝑃 pCnt (#‘[𝐵] )) + (𝑃 pCnt (#‘𝐻)))))
7773, 76mpbird 246 . . . . 5 (𝜑𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝐻)))
78 pcdvdsb 15411 . . . . . 6 ((𝑃 ∈ ℙ ∧ (#‘𝐻) ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ↔ (𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻)))
794, 68, 5, 78syl3anc 1318 . . . . 5 (𝜑 → (𝑁 ≤ (𝑃 pCnt (#‘𝐻)) ↔ (𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻)))
8077, 79mpbid 221 . . . 4 (𝜑 → (𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻))
81 prmnn 15226 . . . . . . . 8 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
824, 81syl 17 . . . . . . 7 (𝜑𝑃 ∈ ℕ)
8382, 5nnexpcld 12892 . . . . . 6 (𝜑 → (𝑃𝑁) ∈ ℕ)
8483nnzd 11357 . . . . 5 (𝜑 → (𝑃𝑁) ∈ ℤ)
85 dvdsle 14870 . . . . 5 (((𝑃𝑁) ∈ ℤ ∧ (#‘𝐻) ∈ ℕ) → ((𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻) → (𝑃𝑁) ≤ (#‘𝐻)))
8684, 67, 85syl2anc 691 . . . 4 (𝜑 → ((𝑃𝑁) ∥ (#‘𝐻) → (𝑃𝑁) ≤ (#‘𝐻)))
8780, 86mpd 15 . . 3 (𝜑 → (𝑃𝑁) ≤ (#‘𝐻))
88 hashcl 13009 . . . . . 6 (𝐻 ∈ Fin → (#‘𝐻) ∈ ℕ0)
8964, 88syl 17 . . . . 5 (𝜑 → (#‘𝐻) ∈ ℕ0)
9089nn0red 11229 . . . 4 (𝜑 → (#‘𝐻) ∈ ℝ)
9183nnred 10912 . . . 4 (𝜑 → (𝑃𝑁) ∈ ℝ)
9290, 91letri3d 10058 . . 3 (𝜑 → ((#‘𝐻) = (𝑃𝑁) ↔ ((#‘𝐻) ≤ (𝑃𝑁) ∧ (𝑃𝑁) ≤ (#‘𝐻))))
9316, 87, 92mpbir2and 959 . 2 (𝜑 → (#‘𝐻) = (𝑃𝑁))
94 fveq2 6103 . . . 4 ( = 𝐻 → (#‘) = (#‘𝐻))
9594eqeq1d 2612 . . 3 ( = 𝐻 → ((#‘) = (𝑃𝑁) ↔ (#‘𝐻) = (𝑃𝑁)))
9695rspcev 3282 . 2 ((𝐻 ∈ (SubGrp‘𝐺) ∧ (#‘𝐻) = (𝑃𝑁)) → ∃ ∈ (SubGrp‘𝐺)(#‘) = (𝑃𝑁))
9714, 93, 96syl2anc 691 1 (𝜑 → ∃ ∈ (SubGrp‘𝐺)(#‘) = (𝑃𝑁))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 195  wa 383   = wceq 1475  wcel 1977  wne 2780  wrex 2897  {crab 2900  wss 3540  c0 3874  𝒫 cpw 4108  {cpr 4127   class class class wbr 4583  {copab 4642  cmpt 4643  dom cdm 5038  ran crn 5039  cfv 5804  (class class class)co 6549  cmpt2 6551   Er wer 7626  [cec 7627  Fincfn 7841  cr 9814  0cc0 9815   + caddc 9818   · cmul 9820  cle 9954  cmin 10145  cn 10897  0cn0 11169  cz 11254  cexp 12722  #chash 12979  cdvds 14821  cprime 15223   pCnt cpc 15379  Basecbs 15695  +gcplusg 15768  0gc0g 15923  Grpcgrp 17245  SubGrpcsubg 17411   ~QG cqg 17413   GrpAct cga 17545
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1713  ax-4 1728  ax-5 1827  ax-6 1875  ax-7 1922  ax-8 1979  ax-9 1986  ax-10 2006  ax-11 2021  ax-12 2034  ax-13 2234  ax-ext 2590  ax-rep 4699  ax-sep 4709  ax-nul 4717  ax-pow 4769  ax-pr 4833  ax-un 6847  ax-inf2 8421  ax-cnex 9871  ax-resscn 9872  ax-1cn 9873  ax-icn 9874  ax-addcl 9875  ax-addrcl 9876  ax-mulcl 9877  ax-mulrcl 9878  ax-mulcom 9879  ax-addass 9880  ax-mulass 9881  ax-distr 9882  ax-i2m1 9883  ax-1ne0 9884  ax-1rid 9885  ax-rnegex 9886  ax-rrecex 9887  ax-cnre 9888  ax-pre-lttri 9889  ax-pre-lttrn 9890  ax-pre-ltadd 9891  ax-pre-mulgt0 9892  ax-pre-sup 9893
This theorem depends on definitions:  df-bi 196  df-or 384  df-an 385  df-3or 1032  df-3an 1033  df-tru 1478  df-fal 1481  df-ex 1696  df-nf 1701  df-sb 1868  df-eu 2462  df-mo 2463  df-clab 2597  df-cleq 2603  df-clel 2606  df-nfc 2740  df-ne 2782  df-nel 2783  df-ral 2901  df-rex 2902  df-reu 2903  df-rmo 2904  df-rab 2905  df-v 3175  df-sbc 3403  df-csb 3500  df-dif 3543  df-un 3545  df-in 3547  df-ss 3554  df-pss 3556  df-nul 3875  df-if 4037  df-pw 4110  df-sn 4126  df-pr 4128  df-tp 4130  df-op 4132  df-uni 4373  df-int 4411  df-iun 4457  df-disj 4554  df-br 4584  df-opab 4644  df-mpt 4645  df-tr 4681  df-eprel 4949  df-id 4953  df-po 4959  df-so 4960  df-fr 4997  df-se 4998  df-we 4999  df-xp 5044  df-rel 5045  df-cnv 5046  df-co 5047  df-dm 5048  df-rn 5049  df-res 5050  df-ima 5051  df-pred 5597  df-ord 5643  df-on 5644  df-lim 5645  df-suc 5646  df-iota 5768  df-fun 5806  df-fn 5807  df-f 5808  df-f1 5809  df-fo 5810  df-f1o 5811  df-fv 5812  df-isom 5813  df-riota 6511  df-ov 6552  df-oprab 6553  df-mpt2 6554  df-om 6958  df-1st 7059  df-2nd 7060  df-wrecs 7294  df-recs 7355  df-rdg 7393  df-1o 7447  df-2o 7448  df-oadd 7451  df-er 7629  df-ec 7631  df-qs 7635  df-map 7746  df-en 7842  df-dom 7843  df-sdom 7844  df-fin 7845  df-sup 8231  df-inf 8232  df-oi 8298  df-card 8648  df-pnf 9955  df-mnf 9956  df-xr 9957  df-ltxr 9958  df-le 9959  df-sub 10147  df-neg 10148  df-div 10564  df-nn 10898  df-2 10956  df-3 10957  df-n0 11170  df-xnn0 11241  df-z 11255  df-uz 11564  df-q 11665  df-rp 11709  df-fz 12198  df-fzo 12335  df-fl 12455  df-mod 12531  df-seq 12664  df-exp 12723  df-hash 12980  df-cj 13687  df-re 13688  df-im 13689  df-sqrt 13823  df-abs 13824  df-clim 14067  df-sum 14265  df-dvds 14822  df-gcd 15055  df-prm 15224  df-pc 15380  df-ndx 15698  df-slot 15699  df-base 15700  df-sets 15701  df-ress 15702  df-plusg 15781  df-0g 15925  df-mgm 17065  df-sgrp 17107  df-mnd 17118  df-grp 17248  df-minusg 17249  df-subg 17414  df-eqg 17416  df-ga 17546
This theorem is referenced by:  sylow1  17841
  Copyright terms: Public domain W3C validator