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Theorem obslbs

Description: An orthogonal basis is a linear basis iff the span of the basis elements is closed (which is usually not true). (Contributed by Mario Carneiro, 29-Oct-2015)

Ref Expression
Hypotheses obslbs.j ⊢ J = LBasis ⁡ W
obslbs.n ⊢ N = LSpan ⁡ W
obslbs.c ⊢ C = ClSubSp ⁡ W
Assertion obslbs ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → B ∈ J ↔ N ⁡ B ∈ C

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 obslbs.j ⊢ J = LBasis ⁡ W
2 obslbs.n ⊢ N = LSpan ⁡ W
3 obslbs.c ⊢ C = ClSubSp ⁡ W
4 obsrcl ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → W ∈ PreHil
5 eqid ⊢ Base W = Base W
6 5 obsss ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → B ⊆ Base W
7 eqid ⊢ ocv ⁡ W = ocv ⁡ W
8 5 7 2 ocvlsp ⊢ W ∈ PreHil ∧ B ⊆ Base W → ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ B = ocv ⁡ W ⁡ B
9 4 6 8 syl2anc ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ B = ocv ⁡ W ⁡ B
10 9 fveq2d ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → ocv ⁡ W ⁡ ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ B = ocv ⁡ W ⁡ ocv ⁡ W ⁡ B
11 7 5 obs2ocv ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → ocv ⁡ W ⁡ ocv ⁡ W ⁡ B = Base W
12 10 11 eqtrd ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → ocv ⁡ W ⁡ ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ B = Base W
13 12 eqeq2d ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → N ⁡ B = ocv ⁡ W ⁡ ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ B ↔ N ⁡ B = Base W
14 7 3 iscss ⊢ W ∈ PreHil → N ⁡ B ∈ C ↔ N ⁡ B = ocv ⁡ W ⁡ ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ B
15 4 14 syl ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → N ⁡ B ∈ C ↔ N ⁡ B = ocv ⁡ W ⁡ ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ B
16 phllvec ⊢ W ∈ PreHil → W ∈ LVec
17 4 16 syl ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → W ∈ LVec
18 pssnel ⊢ x ⊂ B → ∃ y y ∈ B ∧ ¬ y ∈ x
19 18 adantl ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B → ∃ y y ∈ B ∧ ¬ y ∈ x
20 simpll ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → B ∈ OBasis ⁡ W
21 pssss ⊢ x ⊂ B → x ⊆ B
22 21 ad2antlr ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → x ⊆ B
23 simpr ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → y ∈ B
24 7 obselocv ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊆ B ∧ y ∈ B → y ∈ ocv ⁡ W ⁡ x ↔ ¬ y ∈ x
25 20 22 23 24 syl3anc ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → y ∈ ocv ⁡ W ⁡ x ↔ ¬ y ∈ x
26 eqid ⊢ 0 W = 0 W
27 26 obsne0 ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ y ∈ B → y ≠ 0 W
28 20 23 27 syl2anc ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → y ≠ 0 W
29 nelsn ⊢ y ≠ 0 W → ¬ y ∈ 0 W
30 28 29 syl ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → ¬ y ∈ 0 W
31 nelne1 ⊢ y ∈ ocv ⁡ W ⁡ x ∧ ¬ y ∈ 0 W → ocv ⁡ W ⁡ x ≠ 0 W
32 31 expcom ⊢ ¬ y ∈ 0 W → y ∈ ocv ⁡ W ⁡ x → ocv ⁡ W ⁡ x ≠ 0 W
33 30 32 syl ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → y ∈ ocv ⁡ W ⁡ x → ocv ⁡ W ⁡ x ≠ 0 W
34 25 33 sylbird ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → ¬ y ∈ x → ocv ⁡ W ⁡ x ≠ 0 W
35 npss ⊢ ¬ N ⁡ x ⊂ Base W ↔ N ⁡ x ⊆ Base W → N ⁡ x = Base W
36 phllmod ⊢ W ∈ PreHil → W ∈ LMod
37 4 36 syl ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → W ∈ LMod
38 37 ad2antrr ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → W ∈ LMod
39 6 ad2antrr ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → B ⊆ Base W
40 22 39 sstrd ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → x ⊆ Base W
41 5 2 lspssv ⊢ W ∈ LMod ∧ x ⊆ Base W → N ⁡ x ⊆ Base W
42 38 40 41 syl2anc ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → N ⁡ x ⊆ Base W
43 fveq2 ⊢ N ⁡ x = Base W → ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ x = ocv ⁡ W ⁡ Base W
44 4 ad2antrr ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → W ∈ PreHil
45 5 7 2 ocvlsp ⊢ W ∈ PreHil ∧ x ⊆ Base W → ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ x = ocv ⁡ W ⁡ x
46 44 40 45 syl2anc ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ x = ocv ⁡ W ⁡ x
47 5 7 26 ocv1 ⊢ W ∈ PreHil → ocv ⁡ W ⁡ Base W = 0 W
48 44 47 syl ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → ocv ⁡ W ⁡ Base W = 0 W
49 46 48 eqeq12d ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → ocv ⁡ W ⁡ N ⁡ x = ocv ⁡ W ⁡ Base W ↔ ocv ⁡ W ⁡ x = 0 W
50 43 49 imbitrid ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → N ⁡ x = Base W → ocv ⁡ W ⁡ x = 0 W
51 42 50 embantd ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → N ⁡ x ⊆ Base W → N ⁡ x = Base W → ocv ⁡ W ⁡ x = 0 W
52 35 51 biimtrid ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → ¬ N ⁡ x ⊂ Base W → ocv ⁡ W ⁡ x = 0 W
53 52 necon1ad ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → ocv ⁡ W ⁡ x ≠ 0 W → N ⁡ x ⊂ Base W
54 34 53 syld ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B ∧ y ∈ B → ¬ y ∈ x → N ⁡ x ⊂ Base W
55 54 expimpd ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B → y ∈ B ∧ ¬ y ∈ x → N ⁡ x ⊂ Base W
56 55 exlimdv ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B → ∃ y y ∈ B ∧ ¬ y ∈ x → N ⁡ x ⊂ Base W
57 19 56 mpd ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W ∧ x ⊂ B → N ⁡ x ⊂ Base W
58 57 ex ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → x ⊂ B → N ⁡ x ⊂ Base W
59 58 alrimiv ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → ∀ x x ⊂ B → N ⁡ x ⊂ Base W
60 5 1 2 islbs3 ⊢ W ∈ LVec → B ∈ J ↔ B ⊆ Base W ∧ N ⁡ B = Base W ∧ ∀ x x ⊂ B → N ⁡ x ⊂ Base W
61 3anan32 ⊢ B ⊆ Base W ∧ N ⁡ B = Base W ∧ ∀ x x ⊂ B → N ⁡ x ⊂ Base W ↔ B ⊆ Base W ∧ ∀ x x ⊂ B → N ⁡ x ⊂ Base W ∧ N ⁡ B = Base W
62 60 61 bitrdi ⊢ W ∈ LVec → B ∈ J ↔ B ⊆ Base W ∧ ∀ x x ⊂ B → N ⁡ x ⊂ Base W ∧ N ⁡ B = Base W
63 62 baibd ⊢ W ∈ LVec ∧ B ⊆ Base W ∧ ∀ x x ⊂ B → N ⁡ x ⊂ Base W → B ∈ J ↔ N ⁡ B = Base W
64 17 6 59 63 syl12anc ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → B ∈ J ↔ N ⁡ B = Base W
65 13 15 64 3bitr4rd ⊢ B ∈ OBasis ⁡ W → B ∈ J ↔ N ⁡ B ∈ C