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Theorem atom1d

Description: The 1-dimensional subspaces of Hilbert space are its atoms. Part of Remark 10.3.5 of BeltramettiCassinelli p. 107. (Contributed by NM, 4-Jun-2004) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Assertion atom1d ⊢ A ∈ HAtoms ↔ ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = span ⁡ x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 elat2 ⊢ A ∈ HAtoms ↔ A ∈ C ℋ ∧ A ≠ 0 ℋ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ
2 chne0 ⊢ A ∈ C ℋ → A ≠ 0 ℋ ↔ ∃ x ∈ A x ≠ 0 ℎ
3 nfv ⊢ Ⅎ x A ∈ C ℋ
4 nfv ⊢ Ⅎ x ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ
5 nfre1 ⊢ Ⅎ x ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
6 4 5 nfim ⊢ Ⅎ x ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
7 chel ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A → x ∈ ℋ
8 7 adantrr ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ → x ∈ ℋ
9 8 adantrr ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → x ∈ ℋ
10 simprlr ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → x ≠ 0 ℎ
11 h1dn0 ⊢ x ∈ ℋ ∧ x ≠ 0 ℎ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ≠ 0 ℋ
12 7 11 sylan ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ≠ 0 ℋ
13 12 anasss ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ≠ 0 ℋ
14 13 adantrr ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ≠ 0 ℋ
15 ch1dle ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ⊆ A
16 snssi ⊢ x ∈ ℋ → x ⊆ ℋ
17 occl ⊢ x ⊆ ℋ → ⊥ ⁡ x ∈ C ℋ
18 7 16 17 3syl ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A → ⊥ ⁡ x ∈ C ℋ
19 choccl ⊢ ⊥ ⁡ x ∈ C ℋ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ∈ C ℋ
20 sseq1 ⊢ y = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → y ⊆ A ↔ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ⊆ A
21 eqeq1 ⊢ y = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → y = A ↔ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A
22 eqeq1 ⊢ y = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → y = 0 ℋ ↔ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
23 21 22 orbi12d ⊢ y = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → y = A ∨ y = 0 ℋ ↔ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A ∨ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
24 20 23 imbi12d ⊢ y = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ ↔ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ⊆ A → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A ∨ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
25 24 rspcv ⊢ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ∈ C ℋ → ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ⊆ A → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A ∨ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
26 18 19 25 3syl ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A → ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ⊆ A → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A ∨ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
27 15 26 mpid ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A → ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A ∨ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
28 27 impr ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A ∨ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
29 28 adantrlr ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A ∨ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
30 29 ord ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ¬ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
31 nne ⊢ ¬ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ≠ 0 ℋ ↔ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = 0 ℋ
32 30 31 imbitrrdi ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ¬ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A → ¬ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ≠ 0 ℋ
33 14 32 mt4d ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x = A
34 33 eqcomd ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
35 rspe ⊢ x ∈ ℋ ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
36 9 10 34 35 syl12anc ⊢ A ∈ C ℋ ∧ x ∈ A ∧ x ≠ 0 ℎ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
37 36 exp44 ⊢ A ∈ C ℋ → x ∈ A → x ≠ 0 ℎ → ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
38 3 6 37 rexlimd ⊢ A ∈ C ℋ → ∃ x ∈ A x ≠ 0 ℎ → ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
39 2 38 sylbid ⊢ A ∈ C ℋ → A ≠ 0 ℋ → ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
40 39 imp32 ⊢ A ∈ C ℋ ∧ A ≠ 0 ℋ ∧ ∀ y ∈ C ℋ y ⊆ A → y = A ∨ y = 0 ℋ → ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
41 1 40 sylbi ⊢ A ∈ HAtoms → ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
42 h1da ⊢ x ∈ ℋ ∧ x ≠ 0 ℎ → ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ∈ HAtoms
43 eleq1 ⊢ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → A ∈ HAtoms ↔ ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x ∈ HAtoms
44 42 43 imbitrrid ⊢ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → x ∈ ℋ ∧ x ≠ 0 ℎ → A ∈ HAtoms
45 44 expdcom ⊢ x ∈ ℋ → x ≠ 0 ℎ → A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → A ∈ HAtoms
46 45 impd ⊢ x ∈ ℋ → x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → A ∈ HAtoms
47 46 rexlimiv ⊢ ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x → A ∈ HAtoms
48 41 47 impbii ⊢ A ∈ HAtoms ↔ ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
49 spansn ⊢ x ∈ ℋ → span ⁡ x = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
50 49 eqeq2d ⊢ x ∈ ℋ → A = span ⁡ x ↔ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
51 50 anbi2d ⊢ x ∈ ℋ → x ≠ 0 ℎ ∧ A = span ⁡ x ↔ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
52 51 rexbiia ⊢ ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = span ⁡ x ↔ ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = ⊥ ⁡ ⊥ ⁡ x
53 48 52 bitr4i ⊢ A ∈ HAtoms ↔ ∃ x ∈ ℋ x ≠ 0 ℎ ∧ A = span ⁡ x