Metamath Proof Explorer


Theorem strlem3a

Description: Lemma for strong state theorem: the function S , that maps a closed subspace to the square of the norm of its projection onto a unit vector, is a state. (Contributed by NM, 28-Oct-1999) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypothesis strlem3a.1 ⊢ S = x ∈ C ℋ ⟼ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2
Assertion strlem3a ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 → S ∈ States

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 strlem3a.1 ⊢ S = x ∈ C ℋ ⟼ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2
2 id ⊢ x ∈ C ℋ → x ∈ C ℋ
3 simpl ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 → u ∈ ℋ
4 pjhcl ⊢ x ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ → proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∈ ℋ
5 2 3 4 syl2anr ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∈ ℋ
6 normcl ⊢ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∈ ℝ
7 5 6 syl ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∈ ℝ
8 7 resqcld ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2 ∈ ℝ
9 7 sqge0d ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → 0 ≤ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2
10 normge0 ⊢ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∈ ℋ → 0 ≤ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u
11 5 10 syl ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → 0 ≤ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u
12 pjnorm ⊢ x ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ≤ norm ℎ ⁡ u
13 2 3 12 syl2anr ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ≤ norm ℎ ⁡ u
14 simplr ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → norm ℎ ⁡ u = 1
15 13 14 breqtrd ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ≤ 1
16 2nn0 ⊢ 2 ∈ ℕ 0
17 exple1 ⊢ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∈ ℝ ∧ 0 ≤ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∧ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ≤ 1 ∧ 2 ∈ ℕ 0 → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2 ≤ 1
18 16 17 mpan2 ⊢ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∈ ℝ ∧ 0 ≤ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ∧ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u ≤ 1 → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2 ≤ 1
19 7 11 15 18 syl3anc ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2 ≤ 1
20 elicc01 ⊢ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2 ∈ 0 1 ↔ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2 ∈ ℝ ∧ 0 ≤ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2 ∧ norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2 ≤ 1
21 8 9 19 20 syl3anbrc ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 ∧ x ∈ C ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ x ⁡ u 2 ∈ 0 1
22 21 1 fmptd ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 → S : C ℋ ⟶ 0 1
23 helch ⊢ ℋ ∈ C ℋ
24 1 strlem2 ⊢ ℋ ∈ C ℋ → S ⁡ ℋ = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ ℋ ⁡ u 2
25 23 24 ax-mp ⊢ S ⁡ ℋ = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ ℋ ⁡ u 2
26 pjch1 ⊢ u ∈ ℋ → proj ℎ ⁡ ℋ ⁡ u = u
27 26 fveq2d ⊢ u ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ ℋ ⁡ u = norm ℎ ⁡ u
28 27 oveq1d ⊢ u ∈ ℋ → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ ℋ ⁡ u 2 = norm ℎ ⁡ u 2
29 oveq1 ⊢ norm ℎ ⁡ u = 1 → norm ℎ ⁡ u 2 = 1 2
30 sq1 ⊢ 1 2 = 1
31 29 30 eqtrdi ⊢ norm ℎ ⁡ u = 1 → norm ℎ ⁡ u 2 = 1
32 28 31 sylan9eq ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ ℋ ⁡ u 2 = 1
33 25 32 eqtrid ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 → S ⁡ ℋ = 1
34 pjcjt2 ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ → z ⊆ ⊥ ⁡ w → proj ℎ ⁡ z ∨ ℋ w ⁡ u = proj ℎ ⁡ z ⁡ u + ℎ proj ℎ ⁡ w ⁡ u
35 34 imp ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → proj ℎ ⁡ z ∨ ℋ w ⁡ u = proj ℎ ⁡ z ⁡ u + ℎ proj ℎ ⁡ w ⁡ u
36 35 fveq2d ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ∨ ℋ w ⁡ u = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u + ℎ proj ℎ ⁡ w ⁡ u
37 36 oveq1d ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ∨ ℋ w ⁡ u 2 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u + ℎ proj ℎ ⁡ w ⁡ u 2
38 pjopyth ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ → z ⊆ ⊥ ⁡ w → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u + ℎ proj ℎ ⁡ w ⁡ u 2 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u 2 + norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ w ⁡ u 2
39 38 imp ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u + ℎ proj ℎ ⁡ w ⁡ u 2 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u 2 + norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ w ⁡ u 2
40 37 39 eqtrd ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ∨ ℋ w ⁡ u 2 = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u 2 + norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ w ⁡ u 2
41 chjcl ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ → z ∨ ℋ w ∈ C ℋ
42 41 3adant3 ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ → z ∨ ℋ w ∈ C ℋ
43 42 adantr ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → z ∨ ℋ w ∈ C ℋ
44 1 strlem2 ⊢ z ∨ ℋ w ∈ C ℋ → S ⁡ z ∨ ℋ w = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ∨ ℋ w ⁡ u 2
45 43 44 syl ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → S ⁡ z ∨ ℋ w = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ∨ ℋ w ⁡ u 2
46 3simpa ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ → z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ
47 46 adantr ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ
48 1 strlem2 ⊢ z ∈ C ℋ → S ⁡ z = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u 2
49 1 strlem2 ⊢ w ∈ C ℋ → S ⁡ w = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ w ⁡ u 2
50 48 49 oveqan12d ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ → S ⁡ z + S ⁡ w = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u 2 + norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ w ⁡ u 2
51 47 50 syl ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → S ⁡ z + S ⁡ w = norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ z ⁡ u 2 + norm ℎ ⁡ proj ℎ ⁡ w ⁡ u 2
52 40 45 51 3eqtr4d ⊢ z ∈ C ℋ ∧ w ∈ C ℋ ∧ u ∈ ℋ ∧ z ⊆ ⊥ ⁡ w → S ⁡ z ∨ ℋ w = S ⁡ z + S ⁡ w
53 52 3exp1 ⊢ z ∈ C ℋ → w ∈ C ℋ → u ∈ ℋ → z ⊆ ⊥ ⁡ w → S ⁡ z ∨ ℋ w = S ⁡ z + S ⁡ w
54 53 com3r ⊢ u ∈ ℋ → z ∈ C ℋ → w ∈ C ℋ → z ⊆ ⊥ ⁡ w → S ⁡ z ∨ ℋ w = S ⁡ z + S ⁡ w
55 54 adantr ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 → z ∈ C ℋ → w ∈ C ℋ → z ⊆ ⊥ ⁡ w → S ⁡ z ∨ ℋ w = S ⁡ z + S ⁡ w
56 55 ralrimdv ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 → z ∈ C ℋ → ∀ w ∈ C ℋ z ⊆ ⊥ ⁡ w → S ⁡ z ∨ ℋ w = S ⁡ z + S ⁡ w
57 56 ralrimiv ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 → ∀ z ∈ C ℋ ∀ w ∈ C ℋ z ⊆ ⊥ ⁡ w → S ⁡ z ∨ ℋ w = S ⁡ z + S ⁡ w
58 isst ⊢ S ∈ States ↔ S : C ℋ ⟶ 0 1 ∧ S ⁡ ℋ = 1 ∧ ∀ z ∈ C ℋ ∀ w ∈ C ℋ z ⊆ ⊥ ⁡ w → S ⁡ z ∨ ℋ w = S ⁡ z + S ⁡ w
59 22 33 57 58 syl3anbrc ⊢ u ∈ ℋ ∧ norm ℎ ⁡ u = 1 → S ∈ States