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Theorem isga 14745
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 14760). 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.
StepHypRef Expression
1 df-ga 14744 . . 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 ) ) ) } )
21elmpt2cl 6061 . 2  |-  (  .(+)  e.  ( G  GrpAct  Y )  ->  ( G  e. 
Grp  /\  Y  e.  _V ) )
3 fvex 5539 . . . . . . . 8  |-  ( Base `  g )  e.  _V
43a1i 10 . . . . . . 7  |-  ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  ->  ( Base `  g
)  e.  _V )
5 simplr 731 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  s  =  Y )
6 id 19 . . . . . . . . . . 11  |-  ( b  =  ( Base `  g
)  ->  b  =  ( Base `  g )
)
7 simpl 443 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  ->  g  =  G )
87fveq2d 5529 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  ->  ( Base `  g
)  =  ( Base `  G ) )
9 isga.1 . . . . . . . . . . . 12  |-  X  =  ( Base `  G
)
108, 9syl6eqr 2333 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  ->  ( Base `  g
)  =  X )
116, 10sylan9eqr 2337 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  b  =  X )
1211, 5xpeq12d 4714 . . . . . . . . 9  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  (
b  X.  s )  =  ( X  X.  Y ) )
135, 12oveq12d 5876 . . . . . . . 8  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  (
s  ^m  ( b  X.  s ) )  =  ( Y  ^m  ( X  X.  Y ) ) )
14 simpll 730 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  g  =  G )
1514fveq2d 5529 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  ( 0g `  g )  =  ( 0g `  G
) )
16 isga.3 . . . . . . . . . . . . 13  |-  .0.  =  ( 0g `  G )
1715, 16syl6eqr 2333 . . . . . . . . . . . 12  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  ( 0g `  g )  =  .0.  )
1817oveq1d 5873 . . . . . . . . . . 11  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  (
( 0g `  g
) m x )  =  (  .0.  m x ) )
1918eqeq1d 2291 . . . . . . . . . 10  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  (
( ( 0g `  g ) m x )  =  x  <->  (  .0.  m x )  =  x ) )
2014fveq2d 5529 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  ( +g  `  g )  =  ( +g  `  G
) )
21 isga.2 . . . . . . . . . . . . . . . 16  |-  .+  =  ( +g  `  G )
2220, 21syl6eqr 2333 . . . . . . . . . . . . . . 15  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  ( +g  `  g )  = 
.+  )
2322oveqd 5875 . . . . . . . . . . . . . 14  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  (
y ( +g  `  g
) z )  =  ( y  .+  z
) )
2423oveq1d 5873 . . . . . . . . . . . . 13  |-  ( ( ( g  =  G  /\  s  =  Y )  /\  b  =  ( Base `  g
) )  ->  (
( y ( +g  `  g ) z ) m x )  =  ( ( y  .+  z ) m x ) )
2524eqeq1d 2291 . . . . . . . . . . . 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 ) ) ) )
2611, 25raleqbidv 2748 . . . . . . . . . . 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 ) ) ) )
2711, 26raleqbidv 2748 . . . . . . . . . 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 ) ) ) )
2819, 27anbi12d 691 . . . . . . . . 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 ) ) ) ) )
295, 28raleqbidv 2748 . . . . . . . 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 ) ) ) ) )
3013, 29rabeqbidv 2783 . . . . . . 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 ) ) ) } )
314, 30csbied 3123 . . . . . 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 ) ) ) } )
32 ovex 5883 . . . . . . 7  |-  ( Y  ^m  ( X  X.  Y ) )  e. 
_V
3332rabex 4165 . . . . . 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
3431, 1, 33ovmpt2a 5978 . . . . 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 ) ) ) } )
3534eleq2d 2350 . . . 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 ) ) ) } ) )
36 oveq 5864 . . . . . . . 8  |-  ( m  =  .(+)  ->  (  .0.  m x )  =  (  .0.  .(+)  x ) )
3736eqeq1d 2291 . . . . . . 7  |-  ( m  =  .(+)  ->  ( (  .0.  m x )  =  x  <->  (  .0.  .(+) 
x )  =  x ) )
38 oveq 5864 . . . . . . . . 9  |-  ( m  =  .(+)  ->  ( ( y  .+  z ) m x )  =  ( ( y  .+  z )  .(+)  x ) )
39 oveq 5864 . . . . . . . . . 10  |-  ( m  =  .(+)  ->  ( y m ( z m x ) )  =  ( y  .(+)  ( z m x ) ) )
40 oveq 5864 . . . . . . . . . . 11  |-  ( m  =  .(+)  ->  ( z m x )  =  ( z  .(+)  x ) )
4140oveq2d 5874 . . . . . . . . . 10  |-  ( m  =  .(+)  ->  ( y 
.(+)  ( z m x ) )  =  ( y  .(+)  ( z 
.(+)  x ) ) )
4239, 41eqtrd 2315 . . . . . . . . 9  |-  ( m  =  .(+)  ->  ( y m ( z m x ) )  =  ( y  .(+)  ( z 
.(+)  x ) ) )
4338, 42eqeq12d 2297 . . . . . . . 8  |-  ( m  =  .(+)  ->  ( ( ( y  .+  z
) m x )  =  ( y m ( z m x ) )  <->  ( (
y  .+  z )  .(+)  x )  =  ( y  .(+)  ( z  .(+)  x ) ) ) )
44432ralbidv 2585 . . . . . . 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 ) ) ) )
4537, 44anbi12d 691 . . . . . 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 ) ) ) ) )
4645ralbidv 2563 . . . . 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 ) ) ) ) )
4746elrab 2923 . . . 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 ) ) ) ) )
4835, 47syl6bb 252 . . 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 ) ) ) ) ) )
49 simpr 447 . . . . 5  |-  ( ( G  e.  Grp  /\  Y  e.  _V )  ->  Y  e.  _V )
50 fvex 5539 . . . . . . 7  |-  ( Base `  G )  e.  _V
519, 50eqeltri 2353 . . . . . 6  |-  X  e. 
_V
52 xpexg 4800 . . . . . 6  |-  ( ( X  e.  _V  /\  Y  e.  _V )  ->  ( X  X.  Y
)  e.  _V )
5351, 49, 52sylancr 644 . . . . 5  |-  ( ( G  e.  Grp  /\  Y  e.  _V )  ->  ( X  X.  Y
)  e.  _V )
54 elmapg 6785 . . . . 5  |-  ( ( Y  e.  _V  /\  ( X  X.  Y
)  e.  _V )  ->  (  .(+)  e.  ( Y  ^m  ( X  X.  Y ) )  <->  .(+)  : ( X  X.  Y ) --> Y ) )
5549, 53, 54syl2anc 642 . . . 4  |-  ( ( G  e.  Grp  /\  Y  e.  _V )  ->  (  .(+)  e.  ( Y  ^m  ( X  X.  Y ) )  <->  .(+)  : ( X  X.  Y ) --> Y ) )
5655anbi1d 685 . . 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 ) ) ) ) ) )
5748, 56bitrd 244 . 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 ) ) ) ) ) )
582, 57biadan2 623 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 ) ) ) ) ) )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:    <-> wb 176    /\ wa 358    = wceq 1623    e. wcel 1684   A.wral 2543   {crab 2547   _Vcvv 2788   [_csb 3081    X. cxp 4687   -->wf 5251   ` cfv 5255  (class class class)co 5858    ^m cmap 6772   Basecbs 13148   +g cplusg 13208   0gc0g 13400   Grpcgrp 14362    GrpAct cga 14743
This theorem is referenced by:  gagrp  14746  gaset  14747  gagrpid  14748  gaf  14749  gaass  14751  ga0  14752  gaid  14753  subgga  14754  gass  14755  gasubg  14756  lactghmga  14784  sylow1lem2  14910  sylow2blem2  14932  sylow3lem1  14938
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-3 7  ax-mp 8  ax-gen 1533  ax-5 1544  ax-17 1603  ax-9 1635  ax-8 1643  ax-13 1686  ax-14 1688  ax-6 1703  ax-7 1708  ax-11 1715  ax-12 1866  ax-ext 2264  ax-sep 4141  ax-nul 4149  ax-pow 4188  ax-pr 4214  ax-un 4512
This theorem depends on definitions:  df-bi 177  df-or 359  df-an 360  df-3an 936  df-tru 1310  df-ex 1529  df-nf 1532  df-sb 1630  df-eu 2147  df-mo 2148  df-clab 2270  df-cleq 2276  df-clel 2279  df-nfc 2408  df-ne 2448  df-ral 2548  df-rex 2549  df-rab 2552  df-v 2790  df-sbc 2992  df-csb 3082  df-dif 3155  df-un 3157  df-in 3159  df-ss 3166  df-nul 3456  df-if 3566  df-pw 3627  df-sn 3646  df-pr 3647  df-op 3649  df-uni 3828  df-br 4024  df-opab 4078  df-id 4309  df-xp 4695  df-rel 4696  df-cnv 4697  df-co 4698  df-dm 4699  df-rn 4700  df-iota 5219  df-fun 5257  df-fn 5258  df-f 5259  df-fv 5263  df-ov 5861  df-oprab 5862  df-mpt2 5863  df-map 6774  df-ga 14744
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