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Theorem lsmcss

Description: A subset of a pre-Hilbert space whose double orthocomplement has a projection decomposition is a closed subspace. This is the core of the proof that a topologically closed subspace is algebraically closed in a Hilbert space. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Oct-2015)

Ref Expression
Hypotheses lsmcss.c ⊢ C = ClSubSp ⁡ W
lsmcss.j ⊢ V = Base W
lsmcss.o ⊢ ⊥ ˙ = ocv ⁡ W
lsmcss.p ⊢ ⊕ ˙ = LSSum ⁡ W
lsmcss.1 ⊢ φ → W ∈ PreHil
lsmcss.2 ⊢ φ → S ⊆ V
lsmcss.3 ⊢ φ → ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S ⊆ S ⊕ ˙ ⊥ ˙ ⁡ S
Assertion lsmcss ⊢ φ → S ∈ C

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lsmcss.c ⊢ C = ClSubSp ⁡ W
2 lsmcss.j ⊢ V = Base W
3 lsmcss.o ⊢ ⊥ ˙ = ocv ⁡ W
4 lsmcss.p ⊢ ⊕ ˙ = LSSum ⁡ W
5 lsmcss.1 ⊢ φ → W ∈ PreHil
6 lsmcss.2 ⊢ φ → S ⊆ V
7 lsmcss.3 ⊢ φ → ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S ⊆ S ⊕ ˙ ⊥ ˙ ⁡ S
8 7 sseld ⊢ φ → x ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → x ∈ S ⊕ ˙ ⊥ ˙ ⁡ S
9 phllmod ⊢ W ∈ PreHil → W ∈ LMod
10 5 9 syl ⊢ φ → W ∈ LMod
11 2 3 ocvss ⊢ ⊥ ˙ ⁡ S ⊆ V
12 11 a1i ⊢ φ → ⊥ ˙ ⁡ S ⊆ V
13 eqid ⊢ + W = + W
14 2 13 4 lsmelvalx ⊢ W ∈ LMod ∧ S ⊆ V ∧ ⊥ ˙ ⁡ S ⊆ V → x ∈ S ⊕ ˙ ⊥ ˙ ⁡ S ↔ ∃ y ∈ S ∃ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S x = y + W z
15 10 6 12 14 syl3anc ⊢ φ → x ∈ S ⊕ ˙ ⊥ ˙ ⁡ S ↔ ∃ y ∈ S ∃ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S x = y + W z
16 8 15 sylibd ⊢ φ → x ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → ∃ y ∈ S ∃ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S x = y + W z
17 5 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → W ∈ PreHil
18 6 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → S ⊆ V
19 simplrl ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y ∈ S
20 18 19 sseldd ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y ∈ V
21 simplrr ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S
22 11 21 sselid ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → z ∈ V
23 eqid ⊢ Scalar ⁡ W = Scalar ⁡ W
24 eqid ⊢ ⋅ 𝑖 ⁡ W = ⋅ 𝑖 ⁡ W
25 eqid ⊢ + Scalar ⁡ W = + Scalar ⁡ W
26 23 24 2 13 25 ipdir ⊢ W ∈ PreHil ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V ∧ z ∈ V → y + W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = y ⋅ 𝑖 ⁡ W z + Scalar ⁡ W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z
27 17 20 22 22 26 syl13anc ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = y ⋅ 𝑖 ⁡ W z + Scalar ⁡ W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z
28 eqid ⊢ 0 Scalar ⁡ W = 0 Scalar ⁡ W
29 2 24 23 28 3 ocvi ⊢ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y ∈ S → z ⋅ 𝑖 ⁡ W y = 0 Scalar ⁡ W
30 21 19 29 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → z ⋅ 𝑖 ⁡ W y = 0 Scalar ⁡ W
31 23 24 2 28 iporthcom ⊢ W ∈ PreHil ∧ z ∈ V ∧ y ∈ V → z ⋅ 𝑖 ⁡ W y = 0 Scalar ⁡ W ↔ y ⋅ 𝑖 ⁡ W z = 0 Scalar ⁡ W
32 17 22 20 31 syl3anc ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → z ⋅ 𝑖 ⁡ W y = 0 Scalar ⁡ W ↔ y ⋅ 𝑖 ⁡ W z = 0 Scalar ⁡ W
33 30 32 mpbid ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y ⋅ 𝑖 ⁡ W z = 0 Scalar ⁡ W
34 33 oveq1d ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y ⋅ 𝑖 ⁡ W z + Scalar ⁡ W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = 0 Scalar ⁡ W + Scalar ⁡ W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z
35 17 9 syl ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → W ∈ LMod
36 23 lmodfgrp ⊢ W ∈ LMod → Scalar ⁡ W ∈ Grp
37 35 36 syl ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → Scalar ⁡ W ∈ Grp
38 eqid ⊢ Base Scalar ⁡ W = Base Scalar ⁡ W
39 23 24 2 38 ipcl ⊢ W ∈ PreHil ∧ z ∈ V ∧ z ∈ V → z ⋅ 𝑖 ⁡ W z ∈ Base Scalar ⁡ W
40 17 22 22 39 syl3anc ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → z ⋅ 𝑖 ⁡ W z ∈ Base Scalar ⁡ W
41 38 25 28 grplid ⊢ Scalar ⁡ W ∈ Grp ∧ z ⋅ 𝑖 ⁡ W z ∈ Base Scalar ⁡ W → 0 Scalar ⁡ W + Scalar ⁡ W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = z ⋅ 𝑖 ⁡ W z
42 37 40 41 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → 0 Scalar ⁡ W + Scalar ⁡ W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = z ⋅ 𝑖 ⁡ W z
43 27 34 42 3eqtrd ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = z ⋅ 𝑖 ⁡ W z
44 simpr ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S
45 2 24 23 28 3 ocvi ⊢ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = 0 Scalar ⁡ W
46 44 21 45 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = 0 Scalar ⁡ W
47 43 46 eqtr3d ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = 0 Scalar ⁡ W
48 eqid ⊢ 0 W = 0 W
49 23 24 2 28 48 ipeq0 ⊢ W ∈ PreHil ∧ z ∈ V → z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = 0 Scalar ⁡ W ↔ z = 0 W
50 17 22 49 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → z ⋅ 𝑖 ⁡ W z = 0 Scalar ⁡ W ↔ z = 0 W
51 47 50 mpbid ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → z = 0 W
52 51 oveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z = y + W 0 W
53 lmodgrp ⊢ W ∈ LMod → W ∈ Grp
54 10 53 syl ⊢ φ → W ∈ Grp
55 54 ad2antrr ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → W ∈ Grp
56 2 13 48 grprid ⊢ W ∈ Grp ∧ y ∈ V → y + W 0 W = y
57 55 20 56 syl2anc ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W 0 W = y
58 52 57 eqtrd ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z = y
59 58 19 eqeltrd ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S ∧ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z ∈ S
60 59 ex ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z ∈ S
61 eleq1 ⊢ x = y + W z → x ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S ↔ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S
62 eleq1 ⊢ x = y + W z → x ∈ S ↔ y + W z ∈ S
63 61 62 imbi12d ⊢ x = y + W z → x ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → x ∈ S ↔ y + W z ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → y + W z ∈ S
64 60 63 syl5ibrcom ⊢ φ ∧ y ∈ S ∧ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S → x = y + W z → x ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → x ∈ S
65 64 rexlimdvva ⊢ φ → ∃ y ∈ S ∃ z ∈ ⊥ ˙ ⁡ S x = y + W z → x ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → x ∈ S
66 16 65 syld ⊢ φ → x ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → x ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → x ∈ S
67 66 pm2.43d ⊢ φ → x ∈ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S → x ∈ S
68 67 ssrdv ⊢ φ → ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S ⊆ S
69 2 1 3 iscss2 ⊢ W ∈ PreHil ∧ S ⊆ V → S ∈ C ↔ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S ⊆ S
70 5 6 69 syl2anc ⊢ φ → S ∈ C ↔ ⊥ ˙ ⁡ ⊥ ˙ ⁡ S ⊆ S
71 68 70 mpbird ⊢ φ → S ∈ C