Metamath Proof Explorer


Theorem htth

Description: Hellinger-Toeplitz Theorem: any self-adjoint linear operator defined on all of Hilbert space is bounded. Theorem 10.1-1 of Kreyszig p. 525. Discovered by E. Hellinger and O. Toeplitz in 1910, "it aroused both admiration and puzzlement since the theorem establishes a relation between properties of two different kinds, namely, the properties of being defined everywhere and being bounded." (Contributed by NM, 11-Jan-2008) (Revised by Mario Carneiro, 23-Aug-2014) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses htth.1 X=BaseSetU
htth.2 P=𝑖OLDU
htth.3 L=ULnOpU
htth.4 B=UBLnOpU
Assertion htth UCHilOLDTLxXyXxPTy=TxPyTB

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 htth.1 X=BaseSetU
2 htth.2 P=𝑖OLDU
3 htth.3 L=ULnOpU
4 htth.4 B=UBLnOpU
5 oveq12 U=ifUCHilOLDU+×absU=ifUCHilOLDU+×absULnOpU=ifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×abs
6 5 anidms U=ifUCHilOLDU+×absULnOpU=ifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×abs
7 3 6 eqtrid U=ifUCHilOLDU+×absL=ifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×abs
8 7 eleq2d U=ifUCHilOLDU+×absTLTifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×abs
9 fveq2 U=ifUCHilOLDU+×absBaseSetU=BaseSetifUCHilOLDU+×abs
10 1 9 eqtrid U=ifUCHilOLDU+×absX=BaseSetifUCHilOLDU+×abs
11 fveq2 U=ifUCHilOLDU+×abs𝑖OLDU=𝑖OLDifUCHilOLDU+×abs
12 2 11 eqtrid U=ifUCHilOLDU+×absP=𝑖OLDifUCHilOLDU+×abs
13 12 oveqd U=ifUCHilOLDU+×absxPTy=x𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy
14 12 oveqd U=ifUCHilOLDU+×absTxPy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy
15 13 14 eqeq12d U=ifUCHilOLDU+×absxPTy=TxPyx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy
16 10 15 raleqbidv U=ifUCHilOLDU+×absyXxPTy=TxPyyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy
17 10 16 raleqbidv U=ifUCHilOLDU+×absxXyXxPTy=TxPyxBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy
18 8 17 anbi12d U=ifUCHilOLDU+×absTLxXyXxPTy=TxPyTifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×absxBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy
19 oveq12 U=ifUCHilOLDU+×absU=ifUCHilOLDU+×absUBLnOpU=ifUCHilOLDU+×absBLnOpifUCHilOLDU+×abs
20 19 anidms U=ifUCHilOLDU+×absUBLnOpU=ifUCHilOLDU+×absBLnOpifUCHilOLDU+×abs
21 4 20 eqtrid U=ifUCHilOLDU+×absB=ifUCHilOLDU+×absBLnOpifUCHilOLDU+×abs
22 21 eleq2d U=ifUCHilOLDU+×absTBTifUCHilOLDU+×absBLnOpifUCHilOLDU+×abs
23 18 22 imbi12d U=ifUCHilOLDU+×absTLxXyXxPTy=TxPyTBTifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×absxBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absyTifUCHilOLDU+×absBLnOpifUCHilOLDU+×abs
24 eqid BaseSetifUCHilOLDU+×abs=BaseSetifUCHilOLDU+×abs
25 eqid 𝑖OLDifUCHilOLDU+×abs=𝑖OLDifUCHilOLDU+×abs
26 eqid ifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×abs=ifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×abs
27 eqid ifUCHilOLDU+×absBLnOpifUCHilOLDU+×abs=ifUCHilOLDU+×absBLnOpifUCHilOLDU+×abs
28 eqid normCVifUCHilOLDU+×abs=normCVifUCHilOLDU+×abs
29 eqid +×abs=+×abs
30 29 cnchl +×absCHilOLD
31 30 elimel ifUCHilOLDU+×absCHilOLD
32 simpl TifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×absxBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absyTifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×abs
33 simpr TifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×absxBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absyxBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy
34 oveq1 x=ux𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=u𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy
35 fveq2 x=uTx=Tu
36 35 oveq1d x=uTx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy=Tu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy
37 34 36 eqeq12d x=ux𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absyu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy
38 fveq2 y=vTy=Tv
39 38 oveq2d y=vu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=u𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTv
40 oveq2 y=vTu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absy=Tu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absv
41 39 40 eqeq12d y=vu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absyu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTv=Tu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absv
42 37 41 cbvral2vw xBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absyuBaseSetifUCHilOLDU+×absvBaseSetifUCHilOLDU+×absu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTv=Tu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absv
43 33 42 sylib TifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×absxBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absyuBaseSetifUCHilOLDU+×absvBaseSetifUCHilOLDU+×absu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTv=Tu𝑖OLDifUCHilOLDU+×absv
44 oveq1 y=wy𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTx=w𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTx
45 44 cbvmptv yBaseSetifUCHilOLDU+×absy𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTx=wBaseSetifUCHilOLDU+×absw𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTx
46 fveq2 x=zTx=Tz
47 46 oveq2d x=zw𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTx=w𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTz
48 47 mpteq2dv x=zwBaseSetifUCHilOLDU+×absw𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTx=wBaseSetifUCHilOLDU+×absw𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTz
49 45 48 eqtrid x=zyBaseSetifUCHilOLDU+×absy𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTx=wBaseSetifUCHilOLDU+×absw𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTz
50 49 cbvmptv xBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absy𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTx=zBaseSetifUCHilOLDU+×abswBaseSetifUCHilOLDU+×absw𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTz
51 fveq2 x=znormCVifUCHilOLDU+×absx=normCVifUCHilOLDU+×absz
52 51 breq1d x=znormCVifUCHilOLDU+×absx1normCVifUCHilOLDU+×absz1
53 52 cbvrabv xBaseSetifUCHilOLDU+×abs|normCVifUCHilOLDU+×absx1=zBaseSetifUCHilOLDU+×abs|normCVifUCHilOLDU+×absz1
54 53 imaeq2i xBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absy𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTxxBaseSetifUCHilOLDU+×abs|normCVifUCHilOLDU+×absx1=xBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absy𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTxzBaseSetifUCHilOLDU+×abs|normCVifUCHilOLDU+×absz1
55 24 25 26 27 28 31 29 32 43 50 54 htthlem TifUCHilOLDU+×absLnOpifUCHilOLDU+×absxBaseSetifUCHilOLDU+×absyBaseSetifUCHilOLDU+×absx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absTy=Tx𝑖OLDifUCHilOLDU+×absyTifUCHilOLDU+×absBLnOpifUCHilOLDU+×abs
56 23 55 dedth UCHilOLDTLxXyXxPTy=TxPyTB
57 56 3impib UCHilOLDTLxXyXxPTy=TxPyTB