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Theorem pj1id

Description: Any element of a direct subspace sum can be decomposed into projections onto the left and right factors. (Contributed by Mario Carneiro, 15-Oct-2015) (Revised by Mario Carneiro, 21-Apr-2016)

Ref Expression
Hypotheses pj1eu.a ⊢ + ˙ = + G
pj1eu.s ⊢ ⊕ ˙ = LSSum ⁡ G
pj1eu.o ⊢ 0 ˙ = 0 G
pj1eu.z ⊢ Z = Cntz ⁡ G
pj1eu.2 ⊢ φ → T ∈ SubGrp ⁡ G
pj1eu.3 ⊢ φ → U ∈ SubGrp ⁡ G
pj1eu.4 ⊢ φ → T ∩ U = 0 ˙
pj1eu.5 ⊢ φ → T ⊆ Z ⁡ U
pj1f.p ⊢ P = proj 1 ⁡ G
Assertion pj1id ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U → X = T P U ⁡ X + ˙ U P T ⁡ X

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 pj1eu.a ⊢ + ˙ = + G
2 pj1eu.s ⊢ ⊕ ˙ = LSSum ⁡ G
3 pj1eu.o ⊢ 0 ˙ = 0 G
4 pj1eu.z ⊢ Z = Cntz ⁡ G
5 pj1eu.2 ⊢ φ → T ∈ SubGrp ⁡ G
6 pj1eu.3 ⊢ φ → U ∈ SubGrp ⁡ G
7 pj1eu.4 ⊢ φ → T ∩ U = 0 ˙
8 pj1eu.5 ⊢ φ → T ⊆ Z ⁡ U
9 pj1f.p ⊢ P = proj 1 ⁡ G
10 subgrcl ⊢ T ∈ SubGrp ⁡ G → G ∈ Grp
11 5 10 syl ⊢ φ → G ∈ Grp
12 eqid ⊢ Base G = Base G
13 12 subgss ⊢ T ∈ SubGrp ⁡ G → T ⊆ Base G
14 5 13 syl ⊢ φ → T ⊆ Base G
15 12 subgss ⊢ U ∈ SubGrp ⁡ G → U ⊆ Base G
16 6 15 syl ⊢ φ → U ⊆ Base G
17 11 14 16 3jca ⊢ φ → G ∈ Grp ∧ T ⊆ Base G ∧ U ⊆ Base G
18 12 1 2 9 pj1val ⊢ G ∈ Grp ∧ T ⊆ Base G ∧ U ⊆ Base G ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U → T P U ⁡ X = ι x ∈ T | ∃ y ∈ U X = x + ˙ y
19 17 18 sylan ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U → T P U ⁡ X = ι x ∈ T | ∃ y ∈ U X = x + ˙ y
20 1 2 3 4 5 6 7 8 pj1eu ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U → ∃! x ∈ T ∃ y ∈ U X = x + ˙ y
21 riotacl2 ⊢ ∃! x ∈ T ∃ y ∈ U X = x + ˙ y → ι x ∈ T | ∃ y ∈ U X = x + ˙ y ∈ x ∈ T | ∃ y ∈ U X = x + ˙ y
22 20 21 syl ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U → ι x ∈ T | ∃ y ∈ U X = x + ˙ y ∈ x ∈ T | ∃ y ∈ U X = x + ˙ y
23 19 22 eqeltrd ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U → T P U ⁡ X ∈ x ∈ T | ∃ y ∈ U X = x + ˙ y
24 oveq1 ⊢ x = T P U ⁡ X → x + ˙ y = T P U ⁡ X + ˙ y
25 24 eqeq2d ⊢ x = T P U ⁡ X → X = x + ˙ y ↔ X = T P U ⁡ X + ˙ y
26 25 rexbidv ⊢ x = T P U ⁡ X → ∃ y ∈ U X = x + ˙ y ↔ ∃ y ∈ U X = T P U ⁡ X + ˙ y
27 26 elrab ⊢ T P U ⁡ X ∈ x ∈ T | ∃ y ∈ U X = x + ˙ y ↔ T P U ⁡ X ∈ T ∧ ∃ y ∈ U X = T P U ⁡ X + ˙ y
28 27 simprbi ⊢ T P U ⁡ X ∈ x ∈ T | ∃ y ∈ U X = x + ˙ y → ∃ y ∈ U X = T P U ⁡ X + ˙ y
29 23 28 syl ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U → ∃ y ∈ U X = T P U ⁡ X + ˙ y
30 simprr ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → X = T P U ⁡ X + ˙ y
31 11 ad2antrr ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → G ∈ Grp
32 16 ad2antrr ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → U ⊆ Base G
33 14 ad2antrr ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → T ⊆ Base G
34 simplr ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → X ∈ T ⊕ ˙ U
35 2 4 lsmcom2 ⊢ T ∈ SubGrp ⁡ G ∧ U ∈ SubGrp ⁡ G ∧ T ⊆ Z ⁡ U → T ⊕ ˙ U = U ⊕ ˙ T
36 5 6 8 35 syl3anc ⊢ φ → T ⊕ ˙ U = U ⊕ ˙ T
37 36 ad2antrr ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → T ⊕ ˙ U = U ⊕ ˙ T
38 34 37 eleqtrd ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → X ∈ U ⊕ ˙ T
39 12 1 2 9 pj1val ⊢ G ∈ Grp ∧ U ⊆ Base G ∧ T ⊆ Base G ∧ X ∈ U ⊕ ˙ T → U P T ⁡ X = ι u ∈ U | ∃ v ∈ T X = u + ˙ v
40 31 32 33 38 39 syl31anc ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → U P T ⁡ X = ι u ∈ U | ∃ v ∈ T X = u + ˙ v
41 1 2 3 4 5 6 7 8 9 pj1f ⊢ φ → T P U : T ⊕ ˙ U ⟶ T
42 41 ad2antrr ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → T P U : T ⊕ ˙ U ⟶ T
43 42 34 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → T P U ⁡ X ∈ T
44 8 ad2antrr ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → T ⊆ Z ⁡ U
45 44 43 sseldd ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → T P U ⁡ X ∈ Z ⁡ U
46 simprl ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → y ∈ U
47 1 4 cntzi ⊢ T P U ⁡ X ∈ Z ⁡ U ∧ y ∈ U → T P U ⁡ X + ˙ y = y + ˙ T P U ⁡ X
48 45 46 47 syl2anc ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → T P U ⁡ X + ˙ y = y + ˙ T P U ⁡ X
49 30 48 eqtrd ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → X = y + ˙ T P U ⁡ X
50 oveq2 ⊢ v = T P U ⁡ X → y + ˙ v = y + ˙ T P U ⁡ X
51 50 rspceeqv ⊢ T P U ⁡ X ∈ T ∧ X = y + ˙ T P U ⁡ X → ∃ v ∈ T X = y + ˙ v
52 43 49 51 syl2anc ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → ∃ v ∈ T X = y + ˙ v
53 simpll ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → φ
54 incom ⊢ U ∩ T = T ∩ U
55 54 7 eqtrid ⊢ φ → U ∩ T = 0 ˙
56 4 5 6 8 cntzrecd ⊢ φ → U ⊆ Z ⁡ T
57 1 2 3 4 6 5 55 56 pj1eu ⊢ φ ∧ X ∈ U ⊕ ˙ T → ∃! u ∈ U ∃ v ∈ T X = u + ˙ v
58 53 38 57 syl2anc ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → ∃! u ∈ U ∃ v ∈ T X = u + ˙ v
59 oveq1 ⊢ u = y → u + ˙ v = y + ˙ v
60 59 eqeq2d ⊢ u = y → X = u + ˙ v ↔ X = y + ˙ v
61 60 rexbidv ⊢ u = y → ∃ v ∈ T X = u + ˙ v ↔ ∃ v ∈ T X = y + ˙ v
62 61 riota2 ⊢ y ∈ U ∧ ∃! u ∈ U ∃ v ∈ T X = u + ˙ v → ∃ v ∈ T X = y + ˙ v ↔ ι u ∈ U | ∃ v ∈ T X = u + ˙ v = y
63 46 58 62 syl2anc ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → ∃ v ∈ T X = y + ˙ v ↔ ι u ∈ U | ∃ v ∈ T X = u + ˙ v = y
64 52 63 mpbid ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → ι u ∈ U | ∃ v ∈ T X = u + ˙ v = y
65 40 64 eqtrd ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → U P T ⁡ X = y
66 65 oveq2d ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → T P U ⁡ X + ˙ U P T ⁡ X = T P U ⁡ X + ˙ y
67 30 66 eqtr4d ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U ∧ y ∈ U ∧ X = T P U ⁡ X + ˙ y → X = T P U ⁡ X + ˙ U P T ⁡ X
68 29 67 rexlimddv ⊢ φ ∧ X ∈ T ⊕ ˙ U → X = T P U ⁡ X + ˙ U P T ⁡ X