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Theorem pjnmopi

Description: The operator norm of a projector on a nonzero closed subspace is one. Part of Theorem 26.1 of Halmos p. 43. (Contributed by NM, 9-Apr-2006) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypothesis pjhmop.1 ⊢ H ∈ C ℋ
Assertion pjnmopi ⊢ H ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ proj ℎ ⁡ H = 1

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 pjhmop.1 ⊢ H ∈ C ℋ
2 1 pjfi ⊢ proj ℎ ⁡ H : ℋ ⟶ ℋ
3 nmopval ⊢ proj ℎ ⁡ H : ℋ ⟶ ℋ → norm op ⁡ proj ℎ ⁡ H = sup x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ℝ * <
4 2 3 ax-mp ⊢ norm op ⁡ proj ℎ ⁡ H = sup x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ℝ * <
5 vex ⊢ z ∈ V
6 eqeq1 ⊢ x = z → x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ↔ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
7 6 anbi2d ⊢ x = z → norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ↔ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
8 7 rexbidv ⊢ x = z → ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ↔ ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
9 5 8 elab ⊢ z ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ↔ ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
10 pjnorm ⊢ H ∈ C ℋ ∧ y ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ norm ℎ ⁡ y
11 1 10 mpan ⊢ y ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ norm ℎ ⁡ y
12 1 pjhcli ⊢ y ∈ ℋ → proj ℎ ⁡ H ⁡ y ∈ ℋ
13 normcl ⊢ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ∈ ℝ
14 12 13 syl ⊢ y ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ∈ ℝ
15 normcl ⊢ y ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ y ∈ ℝ
16 1re ⊢ 1 ∈ ℝ
17 letr ⊢ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ∈ ℝ ∧ norm ℎ ⁡ y ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ norm ℎ ⁡ y ∧ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ 1
18 16 17 mp3an3 ⊢ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ∈ ℝ ∧ norm ℎ ⁡ y ∈ ℝ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ norm ℎ ⁡ y ∧ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ 1
19 14 15 18 syl2anc ⊢ y ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ norm ℎ ⁡ y ∧ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ 1
20 11 19 mpand ⊢ y ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ y ≤ 1 → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ 1
21 20 imp ⊢ y ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ 1
22 breq1 ⊢ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y → z ≤ 1 ↔ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ 1
23 22 biimparc ⊢ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ≤ 1 ∧ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y → z ≤ 1
24 21 23 sylan ⊢ y ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y → z ≤ 1
25 24 expl ⊢ y ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y → z ≤ 1
26 25 rexlimiv ⊢ ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y → z ≤ 1
27 9 26 sylbi ⊢ z ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y → z ≤ 1
28 27 rgen ⊢ ∀ z ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y z ≤ 1
29 1 cheli ⊢ y ∈ H → y ∈ ℋ
30 29 adantr ⊢ y ∈ H ∧ norm ℎ ⁡ y = 1 → y ∈ ℋ
31 29 15 syl ⊢ y ∈ H → norm ℎ ⁡ y ∈ ℝ
32 eqle ⊢ norm ℎ ⁡ y ∈ ℝ ∧ norm ℎ ⁡ y = 1 → norm ℎ ⁡ y ≤ 1
33 31 32 sylan ⊢ y ∈ H ∧ norm ℎ ⁡ y = 1 → norm ℎ ⁡ y ≤ 1
34 pjid ⊢ H ∈ C ℋ ∧ y ∈ H → proj ℎ ⁡ H ⁡ y = y
35 1 34 mpan ⊢ y ∈ H → proj ℎ ⁡ H ⁡ y = y
36 35 fveq2d ⊢ y ∈ H → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y = norm ℎ ⁡ y
37 36 adantr ⊢ y ∈ H ∧ norm ℎ ⁡ y = 1 → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y = norm ℎ ⁡ y
38 simpr ⊢ y ∈ H ∧ norm ℎ ⁡ y = 1 → norm ℎ ⁡ y = 1
39 37 38 eqtr2d ⊢ y ∈ H ∧ norm ℎ ⁡ y = 1 → 1 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
40 30 33 39 jca32 ⊢ y ∈ H ∧ norm ℎ ⁡ y = 1 → y ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ 1 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
41 40 reximi2 ⊢ ∃ y ∈ H norm ℎ ⁡ y = 1 → ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ 1 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
42 1 chne0i ⊢ H ≠ 0 ℋ ↔ ∃ y ∈ H y ≠ 0 ℎ
43 1 chshii ⊢ H ∈ S ℋ
44 43 norm1exi ⊢ ∃ y ∈ H y ≠ 0 ℎ ↔ ∃ y ∈ H norm ℎ ⁡ y = 1
45 42 44 bitri ⊢ H ≠ 0 ℋ ↔ ∃ y ∈ H norm ℎ ⁡ y = 1
46 1ex ⊢ 1 ∈ V
47 eqeq1 ⊢ x = 1 → x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ↔ 1 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
48 47 anbi2d ⊢ x = 1 → norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ↔ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ 1 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
49 48 rexbidv ⊢ x = 1 → ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ↔ ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ 1 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
50 46 49 elab ⊢ 1 ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ↔ ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ 1 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
51 41 45 50 3imtr4i ⊢ H ≠ 0 ℋ → 1 ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y
52 breq2 ⊢ w = 1 → z < w ↔ z < 1
53 52 rspcev ⊢ 1 ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ∧ z < 1 → ∃ w ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y z < w
54 51 53 sylan ⊢ H ≠ 0 ℋ ∧ z < 1 → ∃ w ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y z < w
55 54 ex ⊢ H ≠ 0 ℋ → z < 1 → ∃ w ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y z < w
56 55 ralrimivw ⊢ H ≠ 0 ℋ → ∀ z ∈ ℝ z < 1 → ∃ w ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y z < w
57 nmopsetretHIL ⊢ proj ℎ ⁡ H : ℋ ⟶ ℋ → x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ⊆ ℝ
58 2 57 ax-mp ⊢ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ⊆ ℝ
59 ressxr ⊢ ℝ ⊆ ℝ *
60 58 59 sstri ⊢ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ⊆ ℝ *
61 1xr ⊢ 1 ∈ ℝ *
62 supxr2 ⊢ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ⊆ ℝ * ∧ 1 ∈ ℝ * ∧ ∀ z ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y z ≤ 1 ∧ ∀ z ∈ ℝ z < 1 → ∃ w ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y z < w → sup x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ℝ * < = 1
63 60 61 62 mpanl12 ⊢ ∀ z ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y z ≤ 1 ∧ ∀ z ∈ ℝ z < 1 → ∃ w ∈ x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y z < w → sup x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ℝ * < = 1
64 28 56 63 sylancr ⊢ H ≠ 0 ℋ → sup x | ∃ y ∈ ℋ norm ℎ ⁡ y ≤ 1 ∧ x = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ H ⁡ y ℝ * < = 1
65 4 64 eqtrid ⊢ H ≠ 0 ℋ → norm op ⁡ proj ℎ ⁡ H = 1