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Theorem lss1d

Description: One-dimensional subspace (or zero-dimensional if X is the zero vector). (Contributed by NM, 14-Jan-2014) (Proof shortened by Mario Carneiro, 19-Jun-2014)

Ref Expression
Hypotheses lss1d.v ⊢ V = Base W
lss1d.f ⊢ F = Scalar ⁡ W
lss1d.t ⊢ · ˙ = ⋅ W
lss1d.k ⊢ K = Base F
lss1d.s ⊢ S = LSubSp ⁡ W
Assertion lss1d ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ∈ S

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lss1d.v ⊢ V = Base W
2 lss1d.f ⊢ F = Scalar ⁡ W
3 lss1d.t ⊢ · ˙ = ⋅ W
4 lss1d.k ⊢ K = Base F
5 lss1d.s ⊢ S = LSubSp ⁡ W
6 2 a1i ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → F = Scalar ⁡ W
7 4 a1i ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → K = Base F
8 1 a1i ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → V = Base W
9 eqidd ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → + W = + W
10 3 a1i ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → · ˙ = ⋅ W
11 5 a1i ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → S = LSubSp ⁡ W
12 1 2 3 4 lmodvscl ⊢ W ∈ LMod ∧ k ∈ K ∧ X ∈ V → k · ˙ X ∈ V
13 12 3expa ⊢ W ∈ LMod ∧ k ∈ K ∧ X ∈ V → k · ˙ X ∈ V
14 13 an32s ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ k ∈ K → k · ˙ X ∈ V
15 eleq1a ⊢ k · ˙ X ∈ V → v = k · ˙ X → v ∈ V
16 14 15 syl ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ k ∈ K → v = k · ˙ X → v ∈ V
17 16 rexlimdva ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → ∃ k ∈ K v = k · ˙ X → v ∈ V
18 17 abssdv ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ⊆ V
19 eqid ⊢ 0 F = 0 F
20 2 4 19 lmod0cl ⊢ W ∈ LMod → 0 F ∈ K
21 20 adantr ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → 0 F ∈ K
22 nfcv ⊢ Ⅎ _ k 0 F
23 nfre1 ⊢ Ⅎ k ∃ k ∈ K v = k · ˙ X
24 23 nfab ⊢ Ⅎ _ k v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X
25 nfcv ⊢ Ⅎ _ k ∅
26 24 25 nfne ⊢ Ⅎ k v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ≠ ∅
27 biidd ⊢ k = 0 F → v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ≠ ∅ ↔ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ≠ ∅
28 ovex ⊢ k · ˙ X ∈ V
29 28 elabrex ⊢ k ∈ K → k · ˙ X ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X
30 29 ne0d ⊢ k ∈ K → v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ≠ ∅
31 22 26 27 30 vtoclgaf ⊢ 0 F ∈ K → v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ≠ ∅
32 21 31 syl ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ≠ ∅
33 vex ⊢ a ∈ V
34 eqeq1 ⊢ v = a → v = k · ˙ X ↔ a = k · ˙ X
35 34 rexbidv ⊢ v = a → ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ k ∈ K a = k · ˙ X
36 33 35 elab ⊢ a ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ k ∈ K a = k · ˙ X
37 oveq1 ⊢ k = y → k · ˙ X = y · ˙ X
38 37 eqeq2d ⊢ k = y → a = k · ˙ X ↔ a = y · ˙ X
39 38 cbvrexvw ⊢ ∃ k ∈ K a = k · ˙ X ↔ ∃ y ∈ K a = y · ˙ X
40 36 39 bitri ⊢ a ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ y ∈ K a = y · ˙ X
41 vex ⊢ b ∈ V
42 eqeq1 ⊢ v = b → v = k · ˙ X ↔ b = k · ˙ X
43 42 rexbidv ⊢ v = b → ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ k ∈ K b = k · ˙ X
44 41 43 elab ⊢ b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ k ∈ K b = k · ˙ X
45 oveq1 ⊢ k = z → k · ˙ X = z · ˙ X
46 45 eqeq2d ⊢ k = z → b = k · ˙ X ↔ b = z · ˙ X
47 46 cbvrexvw ⊢ ∃ k ∈ K b = k · ˙ X ↔ ∃ z ∈ K b = z · ˙ X
48 44 47 bitri ⊢ b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ z ∈ K b = z · ˙ X
49 40 48 anbi12i ⊢ a ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ∧ b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ y ∈ K a = y · ˙ X ∧ ∃ z ∈ K b = z · ˙ X
50 reeanv ⊢ ∃ y ∈ K ∃ z ∈ K a = y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X ↔ ∃ y ∈ K a = y · ˙ X ∧ ∃ z ∈ K b = z · ˙ X
51 49 50 bitr4i ⊢ a ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ∧ b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ y ∈ K ∃ z ∈ K a = y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X
52 simpll ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → W ∈ LMod
53 simprr ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → x ∈ K
54 simprll ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → y ∈ K
55 eqid ⊢ ⋅ F = ⋅ F
56 2 4 55 lmodmcl ⊢ W ∈ LMod ∧ x ∈ K ∧ y ∈ K → x ⋅ F y ∈ K
57 52 53 54 56 syl3anc ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → x ⋅ F y ∈ K
58 simprlr ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → z ∈ K
59 eqid ⊢ + F = + F
60 2 4 59 lmodacl ⊢ W ∈ LMod ∧ x ⋅ F y ∈ K ∧ z ∈ K → x ⋅ F y + F z ∈ K
61 52 57 58 60 syl3anc ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → x ⋅ F y + F z ∈ K
62 simplr ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → X ∈ V
63 eqid ⊢ + W = + W
64 1 63 2 3 4 59 lmodvsdir ⊢ W ∈ LMod ∧ x ⋅ F y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ X ∈ V → x ⋅ F y + F z · ˙ X = x ⋅ F y · ˙ X + W z · ˙ X
65 52 57 58 62 64 syl13anc ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → x ⋅ F y + F z · ˙ X = x ⋅ F y · ˙ X + W z · ˙ X
66 1 2 3 4 55 lmodvsass ⊢ W ∈ LMod ∧ x ∈ K ∧ y ∈ K ∧ X ∈ V → x ⋅ F y · ˙ X = x · ˙ y · ˙ X
67 52 53 54 62 66 syl13anc ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → x ⋅ F y · ˙ X = x · ˙ y · ˙ X
68 67 oveq1d ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → x ⋅ F y · ˙ X + W z · ˙ X = x · ˙ y · ˙ X + W z · ˙ X
69 65 68 eqtr2d ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → x · ˙ y · ˙ X + W z · ˙ X = x ⋅ F y + F z · ˙ X
70 oveq1 ⊢ k = x ⋅ F y + F z → k · ˙ X = x ⋅ F y + F z · ˙ X
71 70 rspceeqv ⊢ x ⋅ F y + F z ∈ K ∧ x · ˙ y · ˙ X + W z · ˙ X = x ⋅ F y + F z · ˙ X → ∃ k ∈ K x · ˙ y · ˙ X + W z · ˙ X = k · ˙ X
72 61 69 71 syl2anc ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → ∃ k ∈ K x · ˙ y · ˙ X + W z · ˙ X = k · ˙ X
73 oveq2 ⊢ a = y · ˙ X → x · ˙ a = x · ˙ y · ˙ X
74 oveq12 ⊢ x · ˙ a = x · ˙ y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X → x · ˙ a + W b = x · ˙ y · ˙ X + W z · ˙ X
75 73 74 sylan ⊢ a = y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X → x · ˙ a + W b = x · ˙ y · ˙ X + W z · ˙ X
76 75 eqeq1d ⊢ a = y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X → x · ˙ a + W b = k · ˙ X ↔ x · ˙ y · ˙ X + W z · ˙ X = k · ˙ X
77 76 rexbidv ⊢ a = y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X → ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X ↔ ∃ k ∈ K x · ˙ y · ˙ X + W z · ˙ X = k · ˙ X
78 72 77 syl5ibrcom ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K ∧ x ∈ K → a = y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X → ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
79 78 expr ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K → x ∈ K → a = y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X → ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
80 79 com23 ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ y ∈ K ∧ z ∈ K → a = y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X → x ∈ K → ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
81 80 rexlimdvva ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → ∃ y ∈ K ∃ z ∈ K a = y · ˙ X ∧ b = z · ˙ X → x ∈ K → ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
82 51 81 biimtrid ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → a ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ∧ b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X → x ∈ K → ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
83 82 expcomd ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X → a ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X → x ∈ K → ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
84 83 com24 ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → x ∈ K → a ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X → b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X → ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
85 84 3imp2 ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ x ∈ K ∧ a ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ∧ b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X → ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
86 ovex ⊢ x · ˙ a + W b ∈ V
87 eqeq1 ⊢ v = x · ˙ a + W b → v = k · ˙ X ↔ x · ˙ a + W b = k · ˙ X
88 87 rexbidv ⊢ v = x · ˙ a + W b → ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
89 86 88 elab ⊢ x · ˙ a + W b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ↔ ∃ k ∈ K x · ˙ a + W b = k · ˙ X
90 85 89 sylibr ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V ∧ x ∈ K ∧ a ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ∧ b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X → x · ˙ a + W b ∈ v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X
91 6 7 8 9 10 11 18 32 90 islssd ⊢ W ∈ LMod ∧ X ∈ V → v | ∃ k ∈ K v = k · ˙ X ∈ S