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Theorem prjspnnorm

Description: In a free module, two nonzero vectors are equivalent iff they have the same normalized representative. (Contributed by SN, 24-Sep-2026)

Ref Expression
Hypotheses prjspnnorm.e ⊢ ∼ ˙ = x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ S x = l · ˙ y
prjspnnorm.j ⊢ J = b ∈ B ⟼ inf i ∈ 0 … N | b ⁡ i ≠ 0 K ℝ <
prjspnnorm.f ⊢ F = v ∈ B ⟼ I ⁡ v ⁡ J ⁡ v · ˙ v
prjspnnorm.w ⊢ W = K freeLMod 0 … N
prjspnnorm.b ⊢ B = Base W ∖ 0 W
prjspnnorm.s ⊢ S = Base K
prjspnnorm.i ⊢ I = inv r ⁡ K
prjspnnorm.t ⊢ · ˙ = ⋅ W
prjspnnorm.k ⊢ φ → K ∈ DivRing
prjspnnorm.n ⊢ φ → N ∈ ℕ 0
prjspnnorm.x ⊢ φ → X ∈ B
prjspnnorm.y ⊢ φ → Y ∈ B
Assertion prjspnnorm ⊢ φ → X ∼ ˙ Y ↔ F ⁡ X = F ⁡ Y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 prjspnnorm.e ⊢ ∼ ˙ = x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ S x = l · ˙ y
2 prjspnnorm.j ⊢ J = b ∈ B ⟼ inf i ∈ 0 … N | b ⁡ i ≠ 0 K ℝ <
3 prjspnnorm.f ⊢ F = v ∈ B ⟼ I ⁡ v ⁡ J ⁡ v · ˙ v
4 prjspnnorm.w ⊢ W = K freeLMod 0 … N
5 prjspnnorm.b ⊢ B = Base W ∖ 0 W
6 prjspnnorm.s ⊢ S = Base K
7 prjspnnorm.i ⊢ I = inv r ⁡ K
8 prjspnnorm.t ⊢ · ˙ = ⋅ W
9 prjspnnorm.k ⊢ φ → K ∈ DivRing
10 prjspnnorm.n ⊢ φ → N ∈ ℕ 0
11 prjspnnorm.x ⊢ φ → X ∈ B
12 prjspnnorm.y ⊢ φ → Y ∈ B
13 ovexd ⊢ φ → 0 … N ∈ V
14 4 frlmsca ⊢ K ∈ DivRing ∧ 0 … N ∈ V → K = Scalar ⁡ W
15 9 13 14 syl2anc ⊢ φ → K = Scalar ⁡ W
16 15 fveq2d ⊢ φ → Base K = Base Scalar ⁡ W
17 6 16 eqtrid ⊢ φ → S = Base Scalar ⁡ W
18 17 rexeqdv ⊢ φ → ∃ l ∈ S x = l · ˙ y ↔ ∃ l ∈ Base Scalar ⁡ W x = l · ˙ y
19 18 anbi2d ⊢ φ → x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ S x = l · ˙ y ↔ x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ Base Scalar ⁡ W x = l · ˙ y
20 19 opabbidv ⊢ φ → x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ S x = l · ˙ y = x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ Base Scalar ⁡ W x = l · ˙ y
21 1 20 eqtrid ⊢ φ → ∼ ˙ = x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ Base Scalar ⁡ W x = l · ˙ y
22 21 breqd ⊢ φ → X ∼ ˙ Y ↔ X x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ Base Scalar ⁡ W x = l · ˙ y Y
23 4 frlmlvec ⊢ K ∈ DivRing ∧ 0 … N ∈ V → W ∈ LVec
24 9 13 23 syl2anc ⊢ φ → W ∈ LVec
25 eqid ⊢ x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ Base Scalar ⁡ W x = l · ˙ y = x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ Base Scalar ⁡ W x = l · ˙ y
26 eqid ⊢ Scalar ⁡ W = Scalar ⁡ W
27 eqid ⊢ Base Scalar ⁡ W = Base Scalar ⁡ W
28 eqid ⊢ 0 Scalar ⁡ W = 0 Scalar ⁡ W
29 25 5 26 8 27 28 prjspreln0 ⊢ W ∈ LVec → X x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ Base Scalar ⁡ W x = l · ˙ y Y ↔ X ∈ B ∧ Y ∈ B ∧ ∃ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W X = m · ˙ Y
30 24 29 syl ⊢ φ → X x y | x ∈ B ∧ y ∈ B ∧ ∃ l ∈ Base Scalar ⁡ W x = l · ˙ y Y ↔ X ∈ B ∧ Y ∈ B ∧ ∃ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W X = m · ˙ Y
31 22 30 bitrd ⊢ φ → X ∼ ˙ Y ↔ X ∈ B ∧ Y ∈ B ∧ ∃ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W X = m · ˙ Y
32 31 simplbda ⊢ φ ∧ X ∼ ˙ Y → ∃ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W X = m · ˙ Y
33 eldifsn ⊢ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W ↔ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ m ≠ 0 Scalar ⁡ W
34 17 eqcomd ⊢ φ → Base Scalar ⁡ W = S
35 34 eleq2d ⊢ φ → m ∈ Base Scalar ⁡ W ↔ m ∈ S
36 15 eqcomd ⊢ φ → Scalar ⁡ W = K
37 36 fveq2d ⊢ φ → 0 Scalar ⁡ W = 0 K
38 37 neeq2d ⊢ φ → m ≠ 0 Scalar ⁡ W ↔ m ≠ 0 K
39 35 38 anbi12d ⊢ φ → m ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ m ≠ 0 Scalar ⁡ W ↔ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K
40 33 39 bitrid ⊢ φ → m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W ↔ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K
41 eqid ⊢ Base W = Base W
42 eqid ⊢ ⋅ Scalar ⁡ W = ⋅ Scalar ⁡ W
43 24 lveclmodd ⊢ φ → W ∈ LMod
44 43 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → W ∈ LMod
45 eqid ⊢ 0 K = 0 K
46 9 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → K ∈ DivRing
47 9 drngringd ⊢ φ → K ∈ Ring
48 47 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → K ∈ Ring
49 10 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → N ∈ ℕ 0
50 simprl ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m ∈ S
51 difss ⊢ Base W ∖ 0 W ⊆ Base W
52 5 51 eqsstri ⊢ B ⊆ Base W
53 52 12 sselid ⊢ φ → Y ∈ Base W
54 53 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → Y ∈ Base W
55 4 41 6 8 48 50 54 frlmvscl ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ∈ Base W
56 simprr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m ≠ 0 K
57 15 fveq2d ⊢ φ → 0 K = 0 Scalar ⁡ W
58 57 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → 0 K = 0 Scalar ⁡ W
59 56 58 neeqtrd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m ≠ 0 Scalar ⁡ W
60 12 5 eleqtrdi ⊢ φ → Y ∈ Base W ∖ 0 W
61 60 eldifsnbd ⊢ φ → Y ≠ 0 W
62 61 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → Y ≠ 0 W
63 eqid ⊢ 0 W = 0 W
64 24 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → W ∈ LVec
65 17 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → S = Base Scalar ⁡ W
66 50 65 eleqtrd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m ∈ Base Scalar ⁡ W
67 41 8 26 27 28 63 64 66 54 lvecvsn0 ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ≠ 0 W ↔ m ≠ 0 Scalar ⁡ W ∧ Y ≠ 0 W
68 59 62 67 mpbir2and ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ≠ 0 W
69 55 68 eldifsnd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ∈ Base W ∖ 0 W
70 69 5 eleqtrrdi ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ∈ B
71 2 4 5 48 49 70 6 frlmnzcoordcl2 ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y ∈ S
72 2 4 5 48 49 70 frlmnzcoordn0 ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y ≠ 0 K
73 6 45 7 46 71 72 drnginvrcld ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y ∈ S
74 73 65 eleqtrd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y ∈ Base Scalar ⁡ W
75 41 26 8 27 42 44 74 66 54 lmodvsassd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y ⋅ Scalar ⁡ W m · ˙ Y = I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y · ˙ m · ˙ Y
76 36 fveq2d ⊢ φ → ⋅ Scalar ⁡ W = ⋅ K
77 76 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → ⋅ Scalar ⁡ W = ⋅ K
78 12 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → Y ∈ B
79 2 4 5 8 45 6 46 49 78 50 56 frlmnzcoordsca ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → J ⁡ m · ˙ Y = J ⁡ Y
80 79 fveq2d ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y = m · ˙ Y ⁡ J ⁡ Y
81 ovexd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → 0 … N ∈ V
82 2 4 5 47 10 12 frlmnzcoordcl ⊢ φ → J ⁡ Y ∈ 0 … N
83 82 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → J ⁡ Y ∈ 0 … N
84 eqid ⊢ ⋅ K = ⋅ K
85 4 41 6 81 50 54 83 8 84 frlmvscaval ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ⁡ J ⁡ Y = m ⋅ K Y ⁡ J ⁡ Y
86 80 85 eqtrd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y = m ⋅ K Y ⁡ J ⁡ Y
87 86 fveq2d ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y = I ⁡ m ⋅ K Y ⁡ J ⁡ Y
88 2 4 5 47 10 12 6 frlmnzcoordcl2 ⊢ φ → Y ⁡ J ⁡ Y ∈ S
89 88 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → Y ⁡ J ⁡ Y ∈ S
90 2 4 5 47 10 12 frlmnzcoordn0 ⊢ φ → Y ⁡ J ⁡ Y ≠ 0 K
91 90 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → Y ⁡ J ⁡ Y ≠ 0 K
92 6 45 84 7 46 50 89 56 91 drnginvmuld ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m ⋅ K Y ⁡ J ⁡ Y = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ⋅ K I ⁡ m
93 87 92 eqtrd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ⋅ K I ⁡ m
94 eqidd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → m = m
95 77 93 94 oveq123d ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y ⋅ Scalar ⁡ W m = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ⋅ K I ⁡ m ⋅ K m
96 6 45 7 9 88 90 drnginvrcld ⊢ φ → I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ∈ S
97 96 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ∈ S
98 6 45 7 46 50 56 drnginvrcld ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m ∈ S
99 6 84 48 97 98 50 ringassd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ⋅ K I ⁡ m ⋅ K m = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ⋅ K I ⁡ m ⋅ K m
100 eqid ⊢ 1 K = 1 K
101 6 45 84 100 7 46 50 56 drnginvrld ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m ⋅ K m = 1 K
102 101 oveq2d ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ⋅ K I ⁡ m ⋅ K m = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ⋅ K 1 K
103 6 84 100 48 97 ringridmd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ⋅ K 1 K = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y
104 102 103 eqtrd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y ⋅ K I ⁡ m ⋅ K m = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y
105 95 99 104 3eqtrd ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y ⋅ Scalar ⁡ W m = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y
106 105 oveq1d ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y ⋅ Scalar ⁡ W m · ˙ Y = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y · ˙ Y
107 75 106 eqtr3d ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y · ˙ m · ˙ Y = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y · ˙ Y
108 3 70 prjspnnormval ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → F ⁡ m · ˙ Y = I ⁡ m · ˙ Y ⁡ J ⁡ m · ˙ Y · ˙ m · ˙ Y
109 3 12 prjspnnormval ⊢ φ → F ⁡ Y = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y · ˙ Y
110 109 adantr ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → F ⁡ Y = I ⁡ Y ⁡ J ⁡ Y · ˙ Y
111 107 108 110 3eqtr4d ⊢ φ ∧ m ∈ S ∧ m ≠ 0 K → F ⁡ m · ˙ Y = F ⁡ Y
112 40 111 sylbida ⊢ φ ∧ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W → F ⁡ m · ˙ Y = F ⁡ Y
113 fveqeq2 ⊢ X = m · ˙ Y → F ⁡ X = F ⁡ Y ↔ F ⁡ m · ˙ Y = F ⁡ Y
114 112 113 syl5ibrcom ⊢ φ ∧ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W → X = m · ˙ Y → F ⁡ X = F ⁡ Y
115 114 impr ⊢ φ ∧ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W ∧ X = m · ˙ Y → F ⁡ X = F ⁡ Y
116 115 adantlr ⊢ φ ∧ X ∼ ˙ Y ∧ m ∈ Base Scalar ⁡ W ∖ 0 Scalar ⁡ W ∧ X = m · ˙ Y → F ⁡ X = F ⁡ Y
117 32 116 rexlimddv ⊢ φ ∧ X ∼ ˙ Y → F ⁡ X = F ⁡ Y
118 1 4 5 6 8 9 prjspner ⊢ φ → ∼ ˙ Er B
119 118 adantr ⊢ φ ∧ F ⁡ X = F ⁡ Y → ∼ ˙ Er B
120 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 prjspnequivnorm ⊢ φ → X ∼ ˙ F ⁡ X
121 120 adantr ⊢ φ ∧ F ⁡ X = F ⁡ Y → X ∼ ˙ F ⁡ X
122 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 prjspnequivnorm ⊢ φ → Y ∼ ˙ F ⁡ Y
123 122 adantr ⊢ φ ∧ F ⁡ X = F ⁡ Y → Y ∼ ˙ F ⁡ Y
124 simpr ⊢ φ ∧ F ⁡ X = F ⁡ Y → F ⁡ X = F ⁡ Y
125 123 124 breqtrrd ⊢ φ ∧ F ⁡ X = F ⁡ Y → Y ∼ ˙ F ⁡ X
126 119 121 125 ertr4d ⊢ φ ∧ F ⁡ X = F ⁡ Y → X ∼ ˙ Y
127 117 126 impbida ⊢ φ → X ∼ ˙ Y ↔ F ⁡ X = F ⁡ Y