Metamath Proof Explorer


Theorem nmophmi

Description: The norm of the scalar product of a bounded linear operator. (Contributed by NM, 10-Mar-2006) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypothesis nmophm.1 ⊢ T ∈ BndLinOp
Assertion nmophmi ⊢ A ∈ ℂ → norm op ⁡ A · op T = A ⁢ norm op ⁡ T

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nmophm.1 ⊢ T ∈ BndLinOp
2 bdopf ⊢ T ∈ BndLinOp → T : ℋ ⟶ ℋ
3 1 2 ax-mp ⊢ T : ℋ ⟶ ℋ
4 homval ⊢ A ∈ ℂ ∧ T : ℋ ⟶ ℋ ∧ x ∈ ℋ → A · op T ⁡ x = A ⋅ ℎ T ⁡ x
5 3 4 mp3an2 ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ → A · op T ⁡ x = A ⋅ ℎ T ⁡ x
6 5 fveq2d ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x = norm ℎ ⁡ A ⋅ ℎ T ⁡ x
7 3 ffvelcdmi ⊢ x ∈ ℋ → T ⁡ x ∈ ℋ
8 norm-iii ⊢ A ∈ ℂ ∧ T ⁡ x ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ A ⋅ ℎ T ⁡ x = A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x
9 7 8 sylan2 ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ A ⋅ ℎ T ⁡ x = A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x
10 6 9 eqtrd ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x = A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x
11 10 adantr ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x = A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x
12 normcl ⊢ T ⁡ x ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ∈ ℝ
13 7 12 syl ⊢ x ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ∈ ℝ
14 13 ad2antlr ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ∈ ℝ
15 abscl ⊢ A ∈ ℂ → A ∈ ℝ
16 absge0 ⊢ A ∈ ℂ → 0 ≤ A
17 15 16 jca ⊢ A ∈ ℂ → A ∈ ℝ ∧ 0 ≤ A
18 17 ad2antrr ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → A ∈ ℝ ∧ 0 ≤ A
19 nmoplb ⊢ T : ℋ ⟶ ℋ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ T
20 3 19 mp3an1 ⊢ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ T
21 20 adantll ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ T
22 nmopre ⊢ T ∈ BndLinOp → norm op ⁡ T ∈ ℝ
23 1 22 ax-mp ⊢ norm op ⁡ T ∈ ℝ
24 lemul2a ⊢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ∈ ℝ ∧ norm op ⁡ T ∈ ℝ ∧ A ∈ ℝ ∧ 0 ≤ A ∧ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ T → A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ A ⁢ norm op ⁡ T
25 23 24 mp3anl2 ⊢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ∈ ℝ ∧ A ∈ ℝ ∧ 0 ≤ A ∧ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ T → A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ A ⁢ norm op ⁡ T
26 14 18 21 25 syl21anc ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ A ⁢ norm op ⁡ T
27 11 26 eqbrtrd ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x ≤ A ⁢ norm op ⁡ T
28 27 ex ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x ≤ A ⁢ norm op ⁡ T
29 28 ralrimiva ⊢ A ∈ ℂ → ∀ x ∈ ℋ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x ≤ A ⁢ norm op ⁡ T
30 homulcl ⊢ A ∈ ℂ ∧ T : ℋ ⟶ ℋ → A · op T : ℋ ⟶ ℋ
31 3 30 mpan2 ⊢ A ∈ ℂ → A · op T : ℋ ⟶ ℋ
32 remulcl ⊢ A ∈ ℝ ∧ norm op ⁡ T ∈ ℝ → A ⁢ norm op ⁡ T ∈ ℝ
33 15 23 32 sylancl ⊢ A ∈ ℂ → A ⁢ norm op ⁡ T ∈ ℝ
34 33 rexrd ⊢ A ∈ ℂ → A ⁢ norm op ⁡ T ∈ ℝ *
35 nmopub ⊢ A · op T : ℋ ⟶ ℋ ∧ A ⁢ norm op ⁡ T ∈ ℝ * → norm op ⁡ A · op T ≤ A ⁢ norm op ⁡ T ↔ ∀ x ∈ ℋ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x ≤ A ⁢ norm op ⁡ T
36 31 34 35 syl2anc ⊢ A ∈ ℂ → norm op ⁡ A · op T ≤ A ⁢ norm op ⁡ T ↔ ∀ x ∈ ℋ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x ≤ A ⁢ norm op ⁡ T
37 29 36 mpbird ⊢ A ∈ ℂ → norm op ⁡ A · op T ≤ A ⁢ norm op ⁡ T
38 fveq2 ⊢ A = 0 → A = 0
39 abs0 ⊢ 0 = 0
40 38 39 eqtrdi ⊢ A = 0 → A = 0
41 40 oveq1d ⊢ A = 0 → A ⁢ norm op ⁡ T = 0 ⋅ norm op ⁡ T
42 23 recni ⊢ norm op ⁡ T ∈ ℂ
43 42 mul02i ⊢ 0 ⋅ norm op ⁡ T = 0
44 41 43 eqtrdi ⊢ A = 0 → A ⁢ norm op ⁡ T = 0
45 44 adantl ⊢ A ∈ ℂ ∧ A = 0 → A ⁢ norm op ⁡ T = 0
46 nmopge0 ⊢ A · op T : ℋ ⟶ ℋ → 0 ≤ norm op ⁡ A · op T
47 31 46 syl ⊢ A ∈ ℂ → 0 ≤ norm op ⁡ A · op T
48 47 adantr ⊢ A ∈ ℂ ∧ A = 0 → 0 ≤ norm op ⁡ A · op T
49 45 48 eqbrtrd ⊢ A ∈ ℂ ∧ A = 0 → A ⁢ norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T
50 nmoplb ⊢ A · op T : ℋ ⟶ ℋ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T
51 31 50 syl3an1 ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T
52 51 3expa ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ A · op T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T
53 11 52 eqbrtrrd ⊢ A ∈ ℂ ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T
54 53 adantllr ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T
55 13 adantl ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 ∧ x ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ∈ ℝ
56 nmopxr ⊢ A · op T : ℋ ⟶ ℋ → norm op ⁡ A · op T ∈ ℝ *
57 31 56 syl ⊢ A ∈ ℂ → norm op ⁡ A · op T ∈ ℝ *
58 nmopgtmnf ⊢ A · op T : ℋ ⟶ ℋ → −∞ < norm op ⁡ A · op T
59 31 58 syl ⊢ A ∈ ℂ → −∞ < norm op ⁡ A · op T
60 xrre ⊢ norm op ⁡ A · op T ∈ ℝ * ∧ A ⁢ norm op ⁡ T ∈ ℝ ∧ −∞ < norm op ⁡ A · op T ∧ norm op ⁡ A · op T ≤ A ⁢ norm op ⁡ T → norm op ⁡ A · op T ∈ ℝ
61 57 33 59 37 60 syl22anc ⊢ A ∈ ℂ → norm op ⁡ A · op T ∈ ℝ
62 61 ad2antrr ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 ∧ x ∈ ℋ → norm op ⁡ A · op T ∈ ℝ
63 15 ad2antrr ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 ∧ x ∈ ℋ → A ∈ ℝ
64 absgt0 ⊢ A ∈ ℂ → A ≠ 0 ↔ 0 < A
65 64 biimpa ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → 0 < A
66 65 adantr ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 ∧ x ∈ ℋ → 0 < A
67 lemuldiv2 ⊢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ∈ ℝ ∧ norm op ⁡ A · op T ∈ ℝ ∧ A ∈ ℝ ∧ 0 < A → A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T ↔ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T A
68 55 62 63 66 67 syl112anc ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 ∧ x ∈ ℋ → A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T ↔ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T A
69 68 adantr ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → A ⁢ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T ↔ norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T A
70 54 69 mpbid ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 ∧ x ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T A
71 70 ex ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 ∧ x ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T A
72 71 ralrimiva ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → ∀ x ∈ ℋ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T A
73 61 adantr ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → norm op ⁡ A · op T ∈ ℝ
74 15 adantr ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → A ∈ ℝ
75 abs00 ⊢ A ∈ ℂ → A = 0 ↔ A = 0
76 75 necon3bid ⊢ A ∈ ℂ → A ≠ 0 ↔ A ≠ 0
77 76 biimpar ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → A ≠ 0
78 73 74 77 redivcld ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → norm op ⁡ A · op T A ∈ ℝ
79 78 rexrd ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → norm op ⁡ A · op T A ∈ ℝ *
80 nmopub ⊢ T : ℋ ⟶ ℋ ∧ norm op ⁡ A · op T A ∈ ℝ * → norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T A ↔ ∀ x ∈ ℋ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T A
81 3 79 80 sylancr ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T A ↔ ∀ x ∈ ℋ norm ℎ ⁡ x ≤ 1 → norm ℎ ⁡ T ⁡ x ≤ norm op ⁡ A · op T A
82 72 81 mpbird ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T A
83 23 a1i ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → norm op ⁡ T ∈ ℝ
84 lemuldiv2 ⊢ norm op ⁡ T ∈ ℝ ∧ norm op ⁡ A · op T ∈ ℝ ∧ A ∈ ℝ ∧ 0 < A → A ⁢ norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T ↔ norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T A
85 83 73 74 65 84 syl112anc ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → A ⁢ norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T ↔ norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T A
86 82 85 mpbird ⊢ A ∈ ℂ ∧ A ≠ 0 → A ⁢ norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T
87 49 86 pm2.61dane ⊢ A ∈ ℂ → A ⁢ norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T
88 61 33 letri3d ⊢ A ∈ ℂ → norm op ⁡ A · op T = A ⁢ norm op ⁡ T ↔ norm op ⁡ A · op T ≤ A ⁢ norm op ⁡ T ∧ A ⁢ norm op ⁡ T ≤ norm op ⁡ A · op T
89 37 87 88 mpbir2and ⊢ A ∈ ℂ → norm op ⁡ A · op T = A ⁢ norm op ⁡ T