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Theorem nmcexi

Description: Lemma for nmcopexi and nmcfnexi . The norm of a continuous linear Hilbert space operator or functional exists. Theorem 3.5(i) of Beran p. 99. (Contributed by Mario Carneiro, 17-Nov-2013) (Proof shortened by Mario Carneiro, 23-Dec-2013) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses nmcex.1 y + z norm z < y N T z < 1
nmcex.2 S T = sup m | x norm x 1 m = N T x * <
nmcex.3 x N T x
nmcex.4 N T 0 = 0
nmcex.5 y 2 + x y 2 N T x = N T y 2 x
Assertion nmcexi S T

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nmcex.1 y + z norm z < y N T z < 1
2 nmcex.2 S T = sup m | x norm x 1 m = N T x * <
3 nmcex.3 x N T x
4 nmcex.4 N T 0 = 0
5 nmcex.5 y 2 + x y 2 N T x = N T y 2 x
6 eleq1 m = N T x m N T x
7 3 6 syl5ibrcom x m = N T x m
8 7 imp x m = N T x m
9 8 adantrl x norm x 1 m = N T x m
10 9 rexlimiva x norm x 1 m = N T x m
11 10 abssi m | x norm x 1 m = N T x
12 ax-hv0cl 0
13 norm0 norm 0 = 0
14 0le1 0 1
15 13 14 eqbrtri norm 0 1
16 4 eqcomi 0 = N T 0
17 15 16 pm3.2i norm 0 1 0 = N T 0
18 fveq2 x = 0 norm x = norm 0
19 18 breq1d x = 0 norm x 1 norm 0 1
20 2fveq3 x = 0 N T x = N T 0
21 20 eqeq2d x = 0 0 = N T x 0 = N T 0
22 19 21 anbi12d x = 0 norm x 1 0 = N T x norm 0 1 0 = N T 0
23 22 rspcev 0 norm 0 1 0 = N T 0 x norm x 1 0 = N T x
24 12 17 23 mp2an x norm x 1 0 = N T x
25 c0ex 0 V
26 eqeq1 m = 0 m = N T x 0 = N T x
27 26 anbi2d m = 0 norm x 1 m = N T x norm x 1 0 = N T x
28 27 rexbidv m = 0 x norm x 1 m = N T x x norm x 1 0 = N T x
29 25 28 elab 0 m | x norm x 1 m = N T x x norm x 1 0 = N T x
30 24 29 mpbir 0 m | x norm x 1 m = N T x
31 30 ne0ii m | x norm x 1 m = N T x
32 2rp 2 +
33 rpdivcl 2 + y + 2 y +
34 32 33 mpan y + 2 y +
35 34 rpred y + 2 y
36 35 adantr y + z norm z < y N T z < 1 2 y
37 rpre y + y
38 37 adantr y + x norm x 1 y
39 38 rehalfcld y + x norm x 1 y 2
40 39 recnd y + x norm x 1 y 2
41 simprl y + x norm x 1 x
42 hvmulcl y 2 x y 2 x
43 40 41 42 syl2anc y + x norm x 1 y 2 x
44 normcl y 2 x norm y 2 x
45 43 44 syl y + x norm x 1 norm y 2 x
46 simprr y + x norm x 1 norm x 1
47 normcl x norm x
48 47 ad2antrl y + x norm x 1 norm x
49 1red y + x norm x 1 1
50 rphalfcl y + y 2 +
51 50 adantr y + x norm x 1 y 2 +
52 48 49 51 lemul2d y + x norm x 1 norm x 1 y 2 norm x y 2 1
53 46 52 mpbid y + x norm x 1 y 2 norm x y 2 1
54 rpcn y 2 + y 2
55 norm-iii y 2 x norm y 2 x = y 2 norm x
56 54 55 sylan y 2 + x norm y 2 x = y 2 norm x
57 rpre y 2 + y 2
58 rpge0 y 2 + 0 y 2
59 57 58 absidd y 2 + y 2 = y 2
60 59 oveq1d y 2 + y 2 norm x = y 2 norm x
61 60 adantr y 2 + x y 2 norm x = y 2 norm x
62 56 61 eqtr2d y 2 + x y 2 norm x = norm y 2 x
63 51 41 62 syl2anc y + x norm x 1 y 2 norm x = norm y 2 x
64 40 mulid1d y + x norm x 1 y 2 1 = y 2
65 53 63 64 3brtr3d y + x norm x 1 norm y 2 x y 2
66 rphalflt y + y 2 < y
67 66 adantr y + x norm x 1 y 2 < y
68 45 39 38 65 67 lelttrd y + x norm x 1 norm y 2 x < y
69 fveq2 z = y 2 x norm z = norm y 2 x
70 69 breq1d z = y 2 x norm z < y norm y 2 x < y
71 2fveq3 z = y 2 x N T z = N T y 2 x
72 71 breq1d z = y 2 x N T z < 1 N T y 2 x < 1
73 70 72 imbi12d z = y 2 x norm z < y N T z < 1 norm y 2 x < y N T y 2 x < 1
74 73 rspcv y 2 x z norm z < y N T z < 1 norm y 2 x < y N T y 2 x < 1
75 43 74 syl y + x norm x 1 z norm z < y N T z < 1 norm y 2 x < y N T y 2 x < 1
76 68 75 mpid y + x norm x 1 z norm z < y N T z < 1 N T y 2 x < 1
77 3 ad2antrl y + x norm x 1 N T x
78 77 49 51 ltmuldiv2d y + x norm x 1 y 2 N T x < 1 N T x < 1 y 2
79 51 rprecred y + x norm x 1 1 y 2
80 ltle N T x 1 y 2 N T x < 1 y 2 N T x 1 y 2
81 77 79 80 syl2anc y + x norm x 1 N T x < 1 y 2 N T x 1 y 2
82 78 81 sylbid y + x norm x 1 y 2 N T x < 1 N T x 1 y 2
83 51 41 5 syl2anc y + x norm x 1 y 2 N T x = N T y 2 x
84 83 breq1d y + x norm x 1 y 2 N T x < 1 N T y 2 x < 1
85 rpcn y + y
86 rpne0 y + y 0
87 2cn 2
88 2ne0 2 0
89 recdiv y y 0 2 2 0 1 y 2 = 2 y
90 87 88 89 mpanr12 y y 0 1 y 2 = 2 y
91 85 86 90 syl2anc y + 1 y 2 = 2 y
92 91 adantr y + x norm x 1 1 y 2 = 2 y
93 92 breq2d y + x norm x 1 N T x 1 y 2 N T x 2 y
94 82 84 93 3imtr3d y + x norm x 1 N T y 2 x < 1 N T x 2 y
95 76 94 syld y + x norm x 1 z norm z < y N T z < 1 N T x 2 y
96 95 imp y + x norm x 1 z norm z < y N T z < 1 N T x 2 y
97 96 an32s y + z norm z < y N T z < 1 x norm x 1 N T x 2 y
98 97 anassrs y + z norm z < y N T z < 1 x norm x 1 N T x 2 y
99 breq1 n = N T x n 2 y N T x 2 y
100 98 99 syl5ibrcom y + z norm z < y N T z < 1 x norm x 1 n = N T x n 2 y
101 100 expimpd y + z norm z < y N T z < 1 x norm x 1 n = N T x n 2 y
102 101 rexlimdva y + z norm z < y N T z < 1 x norm x 1 n = N T x n 2 y
103 102 alrimiv y + z norm z < y N T z < 1 n x norm x 1 n = N T x n 2 y
104 eqeq1 m = n m = N T x n = N T x
105 104 anbi2d m = n norm x 1 m = N T x norm x 1 n = N T x
106 105 rexbidv m = n x norm x 1 m = N T x x norm x 1 n = N T x
107 106 ralab n m | x norm x 1 m = N T x n z n x norm x 1 n = N T x n z
108 breq2 z = 2 y n z n 2 y
109 108 imbi2d z = 2 y x norm x 1 n = N T x n z x norm x 1 n = N T x n 2 y
110 109 albidv z = 2 y n x norm x 1 n = N T x n z n x norm x 1 n = N T x n 2 y
111 107 110 syl5bb z = 2 y n m | x norm x 1 m = N T x n z n x norm x 1 n = N T x n 2 y
112 111 rspcev 2 y n x norm x 1 n = N T x n 2 y z n m | x norm x 1 m = N T x n z
113 36 103 112 syl2anc y + z norm z < y N T z < 1 z n m | x norm x 1 m = N T x n z
114 113 rexlimiva y + z norm z < y N T z < 1 z n m | x norm x 1 m = N T x n z
115 1 114 ax-mp z n m | x norm x 1 m = N T x n z
116 supxrre m | x norm x 1 m = N T x m | x norm x 1 m = N T x z n m | x norm x 1 m = N T x n z sup m | x norm x 1 m = N T x * < = sup m | x norm x 1 m = N T x <
117 11 31 115 116 mp3an sup m | x norm x 1 m = N T x * < = sup m | x norm x 1 m = N T x <
118 2 117 eqtri S T = sup m | x norm x 1 m = N T x <
119 suprcl m | x norm x 1 m = N T x m | x norm x 1 m = N T x z n m | x norm x 1 m = N T x n z sup m | x norm x 1 m = N T x <
120 11 31 115 119 mp3an sup m | x norm x 1 m = N T x <
121 118 120 eqeltri S T