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Theorem nmoleub3

Description: The operator norm is the supremum of the value of a linear operator on the unit sphere. (Contributed by Mario Carneiro, 19-Oct-2015) (Proof shortened by AV, 29-Sep-2021)

Ref Expression
Hypotheses nmoleub2.n ⊢ N = S normOp T
nmoleub2.v ⊢ V = Base S
nmoleub2.l ⊢ L = norm ⁡ S
nmoleub2.m ⊢ M = norm ⁡ T
nmoleub2.g ⊢ G = Scalar ⁡ S
nmoleub2.w ⊢ K = Base G
nmoleub2.s ⊢ φ → S ∈ NrmMod ∩ CMod
nmoleub2.t ⊢ φ → T ∈ NrmMod ∩ CMod
nmoleub2.f ⊢ φ → F ∈ S LMHom T
nmoleub2.a ⊢ φ → A ∈ ℝ *
nmoleub2.r ⊢ φ → R ∈ ℝ +
nmoleub3.5 ⊢ φ → 0 ≤ A
nmoleub3.6 ⊢ φ → ℝ ⊆ K
Assertion nmoleub3 ⊢ φ → N ⁡ F ≤ A ↔ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nmoleub2.n ⊢ N = S normOp T
2 nmoleub2.v ⊢ V = Base S
3 nmoleub2.l ⊢ L = norm ⁡ S
4 nmoleub2.m ⊢ M = norm ⁡ T
5 nmoleub2.g ⊢ G = Scalar ⁡ S
6 nmoleub2.w ⊢ K = Base G
7 nmoleub2.s ⊢ φ → S ∈ NrmMod ∩ CMod
8 nmoleub2.t ⊢ φ → T ∈ NrmMod ∩ CMod
9 nmoleub2.f ⊢ φ → F ∈ S LMHom T
10 nmoleub2.a ⊢ φ → A ∈ ℝ *
11 nmoleub2.r ⊢ φ → R ∈ ℝ +
12 nmoleub3.5 ⊢ φ → 0 ≤ A
13 nmoleub3.6 ⊢ φ → ℝ ⊆ K
14 12 adantr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A → 0 ≤ A
15 9 ad3antrrr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → F ∈ S LMHom T
16 13 ad3antrrr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → ℝ ⊆ K
17 11 ad3antrrr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R ∈ ℝ +
18 7 elin1d ⊢ φ → S ∈ NrmMod
19 18 ad3antrrr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → S ∈ NrmMod
20 nlmngp ⊢ S ∈ NrmMod → S ∈ NrmGrp
21 19 20 syl ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → S ∈ NrmGrp
22 simprl ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → y ∈ V
23 simprr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → y ≠ 0 S
24 eqid ⊢ 0 S = 0 S
25 2 3 24 nmrpcl ⊢ S ∈ NrmGrp ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → L ⁡ y ∈ ℝ +
26 21 22 23 25 syl3anc ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → L ⁡ y ∈ ℝ +
27 17 26 rpdivcld ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y ∈ ℝ +
28 27 rpred ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y ∈ ℝ
29 16 28 sseldd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y ∈ K
30 eqid ⊢ ⋅ S = ⋅ S
31 eqid ⊢ ⋅ T = ⋅ T
32 5 6 2 30 31 lmhmlin ⊢ F ∈ S LMHom T ∧ R L ⁡ y ∈ K ∧ y ∈ V → F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = R L ⁡ y ⋅ T F ⁡ y
33 15 29 22 32 syl3anc ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = R L ⁡ y ⋅ T F ⁡ y
34 33 fveq2d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = M ⁡ R L ⁡ y ⋅ T F ⁡ y
35 8 elin1d ⊢ φ → T ∈ NrmMod
36 35 ad3antrrr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → T ∈ NrmMod
37 eqid ⊢ Scalar ⁡ T = Scalar ⁡ T
38 5 37 lmhmsca ⊢ F ∈ S LMHom T → Scalar ⁡ T = G
39 15 38 syl ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → Scalar ⁡ T = G
40 39 fveq2d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → Base Scalar ⁡ T = Base G
41 40 6 eqtr4di ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → Base Scalar ⁡ T = K
42 29 41 eleqtrrd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y ∈ Base Scalar ⁡ T
43 eqid ⊢ Base T = Base T
44 2 43 lmhmf ⊢ F ∈ S LMHom T → F : V ⟶ Base T
45 15 44 syl ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → F : V ⟶ Base T
46 45 22 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → F ⁡ y ∈ Base T
47 eqid ⊢ Base Scalar ⁡ T = Base Scalar ⁡ T
48 eqid ⊢ norm ⁡ Scalar ⁡ T = norm ⁡ Scalar ⁡ T
49 43 4 31 37 47 48 nmvs ⊢ T ∈ NrmMod ∧ R L ⁡ y ∈ Base Scalar ⁡ T ∧ F ⁡ y ∈ Base T → M ⁡ R L ⁡ y ⋅ T F ⁡ y = norm ⁡ Scalar ⁡ T ⁡ R L ⁡ y ⁢ M ⁡ F ⁡ y
50 36 42 46 49 syl3anc ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ R L ⁡ y ⋅ T F ⁡ y = norm ⁡ Scalar ⁡ T ⁡ R L ⁡ y ⁢ M ⁡ F ⁡ y
51 39 fveq2d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → norm ⁡ Scalar ⁡ T = norm ⁡ G
52 51 fveq1d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → norm ⁡ Scalar ⁡ T ⁡ R L ⁡ y = norm ⁡ G ⁡ R L ⁡ y
53 7 elin2d ⊢ φ → S ∈ CMod
54 53 ad3antrrr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → S ∈ CMod
55 5 6 clmabs ⊢ S ∈ CMod ∧ R L ⁡ y ∈ K → R L ⁡ y = norm ⁡ G ⁡ R L ⁡ y
56 54 29 55 syl2anc ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y = norm ⁡ G ⁡ R L ⁡ y
57 27 rpge0d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → 0 ≤ R L ⁡ y
58 28 57 absidd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y = R L ⁡ y
59 56 58 eqtr3d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → norm ⁡ G ⁡ R L ⁡ y = R L ⁡ y
60 52 59 eqtrd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → norm ⁡ Scalar ⁡ T ⁡ R L ⁡ y = R L ⁡ y
61 60 oveq1d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → norm ⁡ Scalar ⁡ T ⁡ R L ⁡ y ⁢ M ⁡ F ⁡ y = R L ⁡ y ⁢ M ⁡ F ⁡ y
62 34 50 61 3eqtrd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = R L ⁡ y ⁢ M ⁡ F ⁡ y
63 62 oveq1d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y R = R L ⁡ y ⁢ M ⁡ F ⁡ y R
64 27 rpcnd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y ∈ ℂ
65 nlmngp ⊢ T ∈ NrmMod → T ∈ NrmGrp
66 36 65 syl ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → T ∈ NrmGrp
67 43 4 nmcl ⊢ T ∈ NrmGrp ∧ F ⁡ y ∈ Base T → M ⁡ F ⁡ y ∈ ℝ
68 66 46 67 syl2anc ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ y ∈ ℝ
69 68 recnd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ y ∈ ℂ
70 17 rpcnd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R ∈ ℂ
71 17 rpne0d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R ≠ 0
72 64 69 70 71 divassd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y ⁢ M ⁡ F ⁡ y R = R L ⁡ y ⁢ M ⁡ F ⁡ y R
73 26 rpcnd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → L ⁡ y ∈ ℂ
74 26 rpne0d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → L ⁡ y ≠ 0
75 69 70 73 71 74 dmdcand ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y ⁢ M ⁡ F ⁡ y R = M ⁡ F ⁡ y L ⁡ y
76 63 72 75 3eqtrd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y R = M ⁡ F ⁡ y L ⁡ y
77 eqid ⊢ norm ⁡ G = norm ⁡ G
78 2 3 30 5 6 77 nmvs ⊢ S ∈ NrmMod ∧ R L ⁡ y ∈ K ∧ y ∈ V → L ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = norm ⁡ G ⁡ R L ⁡ y ⁢ L ⁡ y
79 19 29 22 78 syl3anc ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → L ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = norm ⁡ G ⁡ R L ⁡ y ⁢ L ⁡ y
80 59 oveq1d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → norm ⁡ G ⁡ R L ⁡ y ⁢ L ⁡ y = R L ⁡ y ⁢ L ⁡ y
81 70 73 74 divcan1d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y ⁢ L ⁡ y = R
82 79 80 81 3eqtrd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → L ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = R
83 fveqeq2 ⊢ x = R L ⁡ y ⋅ S y → L ⁡ x = R ↔ L ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = R
84 2fveq3 ⊢ x = R L ⁡ y ⋅ S y → M ⁡ F ⁡ x = M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y
85 84 oveq1d ⊢ x = R L ⁡ y ⋅ S y → M ⁡ F ⁡ x R = M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y R
86 85 breq1d ⊢ x = R L ⁡ y ⋅ S y → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ↔ M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y R ≤ A
87 83 86 imbi12d ⊢ x = R L ⁡ y ⋅ S y → L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ↔ L ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = R → M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y R ≤ A
88 simpllr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A
89 2 5 30 6 clmvscl ⊢ S ∈ CMod ∧ R L ⁡ y ∈ K ∧ y ∈ V → R L ⁡ y ⋅ S y ∈ V
90 54 29 22 89 syl3anc ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → R L ⁡ y ⋅ S y ∈ V
91 87 88 90 rspcdva ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → L ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y = R → M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y R ≤ A
92 82 91 mpd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ R L ⁡ y ⋅ S y R ≤ A
93 76 92 eqbrtrrd ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ y L ⁡ y ≤ A
94 simplr ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → A ∈ ℝ
95 68 94 26 ledivmul2d ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ y L ⁡ y ≤ A ↔ M ⁡ F ⁡ y ≤ A ⁢ L ⁡ y
96 93 95 mpbid ⊢ φ ∧ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A ∧ A ∈ ℝ ∧ y ∈ V ∧ y ≠ 0 S → M ⁡ F ⁡ y ≤ A ⁢ L ⁡ y
97 11 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ V → R ∈ ℝ +
98 97 rpred ⊢ φ ∧ x ∈ V → R ∈ ℝ
99 98 leidd ⊢ φ ∧ x ∈ V → R ≤ R
100 breq1 ⊢ L ⁡ x = R → L ⁡ x ≤ R ↔ R ≤ R
101 99 100 syl5ibrcom ⊢ φ ∧ x ∈ V → L ⁡ x = R → L ⁡ x ≤ R
102 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 14 96 101 nmoleub2lem ⊢ φ → N ⁡ F ≤ A ↔ ∀ x ∈ V L ⁡ x = R → M ⁡ F ⁡ x R ≤ A