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Theorem minveclem7

Description: Lemma for minvec . Since any two minimal points are distance zero away from each other, the minimal point is unique. (Contributed by Mario Carneiro, 9-May-2014) (Revised by Mario Carneiro, 15-Oct-2015)

Ref Expression
Hypotheses minvec.x ⊢ X = Base U
minvec.m ⊢ - ˙ = - U
minvec.n ⊢ N = norm ⁡ U
minvec.u ⊢ φ → U ∈ CPreHil
minvec.y ⊢ φ → Y ∈ LSubSp ⁡ U
minvec.w ⊢ φ → U ↾ 𝑠 Y ∈ CMetSp
minvec.a ⊢ φ → A ∈ X
minvec.j ⊢ J = TopOpen ⁡ U
minvec.r ⊢ R = ran ⁡ y ∈ Y ⟼ N ⁡ A - ˙ y
minvec.s ⊢ S = inf R ℝ <
minvec.d ⊢ D = dist ⁡ U ↾ X × X
Assertion minveclem7 ⊢ φ → ∃! x ∈ Y ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 minvec.x ⊢ X = Base U
2 minvec.m ⊢ - ˙ = - U
3 minvec.n ⊢ N = norm ⁡ U
4 minvec.u ⊢ φ → U ∈ CPreHil
5 minvec.y ⊢ φ → Y ∈ LSubSp ⁡ U
6 minvec.w ⊢ φ → U ↾ 𝑠 Y ∈ CMetSp
7 minvec.a ⊢ φ → A ∈ X
8 minvec.j ⊢ J = TopOpen ⁡ U
9 minvec.r ⊢ R = ran ⁡ y ∈ Y ⟼ N ⁡ A - ˙ y
10 minvec.s ⊢ S = inf R ℝ <
11 minvec.d ⊢ D = dist ⁡ U ↾ X × X
12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 minveclem5 ⊢ φ → ∃ x ∈ Y ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y
13 4 ad2antrr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → U ∈ CPreHil
14 5 ad2antrr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → Y ∈ LSubSp ⁡ U
15 6 ad2antrr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → U ↾ 𝑠 Y ∈ CMetSp
16 7 ad2antrr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → A ∈ X
17 0re ⊢ 0 ∈ ℝ
18 17 a1i ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → 0 ∈ ℝ
19 0le0 ⊢ 0 ≤ 0
20 19 a1i ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → 0 ≤ 0
21 simplrl ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → x ∈ Y
22 simplrr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → w ∈ Y
23 simprl ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → A D x 2 ≤ S 2 + 0
24 simprr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → A D w 2 ≤ S 2 + 0
25 1 2 3 13 14 15 16 8 9 10 11 18 20 21 22 23 24 minveclem2 ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y ∧ A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → x D w 2 ≤ 4 ⋅ 0
26 25 ex ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 → x D w 2 ≤ 4 ⋅ 0
27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 minveclem6 ⊢ φ ∧ x ∈ Y → A D x 2 ≤ S 2 + 0 ↔ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y
28 27 adantrr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → A D x 2 ≤ S 2 + 0 ↔ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y
29 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 minveclem6 ⊢ φ ∧ w ∈ Y → A D w 2 ≤ S 2 + 0 ↔ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ w ≤ N ⁡ A - ˙ y
30 29 adantrl ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → A D w 2 ≤ S 2 + 0 ↔ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ w ≤ N ⁡ A - ˙ y
31 28 30 anbi12d ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → A D x 2 ≤ S 2 + 0 ∧ A D w 2 ≤ S 2 + 0 ↔ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y ∧ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ w ≤ N ⁡ A - ˙ y
32 4cn ⊢ 4 ∈ ℂ
33 32 mul01i ⊢ 4 ⋅ 0 = 0
34 33 breq2i ⊢ x D w 2 ≤ 4 ⋅ 0 ↔ x D w 2 ≤ 0
35 cphngp ⊢ U ∈ CPreHil → U ∈ NrmGrp
36 ngpms ⊢ U ∈ NrmGrp → U ∈ MetSp
37 4 35 36 3syl ⊢ φ → U ∈ MetSp
38 37 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → U ∈ MetSp
39 1 11 msmet ⊢ U ∈ MetSp → D ∈ Met ⁡ X
40 38 39 syl ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → D ∈ Met ⁡ X
41 eqid ⊢ LSubSp ⁡ U = LSubSp ⁡ U
42 1 41 lssss ⊢ Y ∈ LSubSp ⁡ U → Y ⊆ X
43 5 42 syl ⊢ φ → Y ⊆ X
44 43 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → Y ⊆ X
45 simprl ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x ∈ Y
46 44 45 sseldd ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x ∈ X
47 simprr ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → w ∈ Y
48 44 47 sseldd ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → w ∈ X
49 metcl ⊢ D ∈ Met ⁡ X ∧ x ∈ X ∧ w ∈ X → x D w ∈ ℝ
50 40 46 48 49 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w ∈ ℝ
51 50 sqge0d ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → 0 ≤ x D w 2
52 51 biantrud ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w 2 ≤ 0 ↔ x D w 2 ≤ 0 ∧ 0 ≤ x D w 2
53 50 resqcld ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w 2 ∈ ℝ
54 letri3 ⊢ x D w 2 ∈ ℝ ∧ 0 ∈ ℝ → x D w 2 = 0 ↔ x D w 2 ≤ 0 ∧ 0 ≤ x D w 2
55 53 17 54 sylancl ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w 2 = 0 ↔ x D w 2 ≤ 0 ∧ 0 ≤ x D w 2
56 50 recnd ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w ∈ ℂ
57 sqeq0 ⊢ x D w ∈ ℂ → x D w 2 = 0 ↔ x D w = 0
58 56 57 syl ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w 2 = 0 ↔ x D w = 0
59 meteq0 ⊢ D ∈ Met ⁡ X ∧ x ∈ X ∧ w ∈ X → x D w = 0 ↔ x = w
60 40 46 48 59 syl3anc ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w = 0 ↔ x = w
61 58 60 bitrd ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w 2 = 0 ↔ x = w
62 52 55 61 3bitr2d ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w 2 ≤ 0 ↔ x = w
63 34 62 bitrid ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → x D w 2 ≤ 4 ⋅ 0 ↔ x = w
64 26 31 63 3imtr3d ⊢ φ ∧ x ∈ Y ∧ w ∈ Y → ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y ∧ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ w ≤ N ⁡ A - ˙ y → x = w
65 64 ralrimivva ⊢ φ → ∀ x ∈ Y ∀ w ∈ Y ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y ∧ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ w ≤ N ⁡ A - ˙ y → x = w
66 oveq2 ⊢ x = w → A - ˙ x = A - ˙ w
67 66 fveq2d ⊢ x = w → N ⁡ A - ˙ x = N ⁡ A - ˙ w
68 67 breq1d ⊢ x = w → N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y ↔ N ⁡ A - ˙ w ≤ N ⁡ A - ˙ y
69 68 ralbidv ⊢ x = w → ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y ↔ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ w ≤ N ⁡ A - ˙ y
70 69 reu4 ⊢ ∃! x ∈ Y ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y ↔ ∃ x ∈ Y ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y ∧ ∀ x ∈ Y ∀ w ∈ Y ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y ∧ ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ w ≤ N ⁡ A - ˙ y → x = w
71 12 65 70 sylanbrc ⊢ φ → ∃! x ∈ Y ∀ y ∈ Y N ⁡ A - ˙ x ≤ N ⁡ A - ˙ y