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Theorem tcphcph

Description: The standard definition of a norm turns any pre-Hilbert space over a subfield of CCfld closed under square roots of nonnegative reals into a subcomplex pre-Hilbert space (which allows access to a norm, metric, and topology). (Contributed by Mario Carneiro, 11-Oct-2015)

Ref Expression
Hypotheses tcphval.n ⊢ G = toCPreHil ⁡ W
tcphcph.v ⊢ V = Base W
tcphcph.f ⊢ F = Scalar ⁡ W
tcphcph.1 ⊢ φ → W ∈ PreHil
tcphcph.2 ⊢ φ → F = ℂ fld ↾ 𝑠 K
tcphcph.h ⊢ , ˙ = ⋅ 𝑖 ⁡ W
tcphcph.3 ⊢ φ ∧ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ K
tcphcph.4 ⊢ φ ∧ x ∈ V → 0 ≤ x , ˙ x
Assertion tcphcph ⊢ φ → G ∈ CPreHil

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 tcphval.n ⊢ G = toCPreHil ⁡ W
2 tcphcph.v ⊢ V = Base W
3 tcphcph.f ⊢ F = Scalar ⁡ W
4 tcphcph.1 ⊢ φ → W ∈ PreHil
5 tcphcph.2 ⊢ φ → F = ℂ fld ↾ 𝑠 K
6 tcphcph.h ⊢ , ˙ = ⋅ 𝑖 ⁡ W
7 tcphcph.3 ⊢ φ ∧ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ K
8 tcphcph.4 ⊢ φ ∧ x ∈ V → 0 ≤ x , ˙ x
9 1 tcphphl ⊢ W ∈ PreHil ↔ G ∈ PreHil
10 4 9 sylib ⊢ φ → G ∈ PreHil
11 1 2 6 tcphval ⊢ G = W toNrmGrp x ∈ V ⟼ x , ˙ x
12 eqid ⊢ - W = - W
13 eqid ⊢ 0 W = 0 W
14 phllmod ⊢ W ∈ PreHil → W ∈ LMod
15 4 14 syl ⊢ φ → W ∈ LMod
16 lmodgrp ⊢ W ∈ LMod → W ∈ Grp
17 15 16 syl ⊢ φ → W ∈ Grp
18 1 2 3 4 5 6 tcphcphlem3 ⊢ φ ∧ x ∈ V → x , ˙ x ∈ ℝ
19 18 8 resqrtcld ⊢ φ ∧ x ∈ V → x , ˙ x ∈ ℝ
20 19 fmpttd ⊢ φ → x ∈ V ⟼ x , ˙ x : V ⟶ ℝ
21 oveq12 ⊢ x = y ∧ x = y → x , ˙ x = y , ˙ y
22 21 anidms ⊢ x = y → x , ˙ x = y , ˙ y
23 22 fveq2d ⊢ x = y → x , ˙ x = y , ˙ y
24 eqid ⊢ x ∈ V ⟼ x , ˙ x = x ∈ V ⟼ x , ˙ x
25 fvex ⊢ x , ˙ x ∈ V
26 23 24 25 fvmpt3i ⊢ y ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y = y , ˙ y
27 26 adantl ⊢ φ ∧ y ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y = y , ˙ y
28 27 eqeq1d ⊢ φ ∧ y ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y = 0 ↔ y , ˙ y = 0
29 eqid ⊢ Base F = Base F
30 phllvec ⊢ W ∈ PreHil → W ∈ LVec
31 4 30 syl ⊢ φ → W ∈ LVec
32 3 lvecdrng ⊢ W ∈ LVec → F ∈ DivRing
33 31 32 syl ⊢ φ → F ∈ DivRing
34 29 5 33 cphsubrglem ⊢ φ → F = ℂ fld ↾ 𝑠 Base F ∧ Base F = K ∩ ℂ ∧ Base F ∈ SubRing ⁡ ℂ fld
35 34 simp2d ⊢ φ → Base F = K ∩ ℂ
36 inss2 ⊢ K ∩ ℂ ⊆ ℂ
37 35 36 eqsstrdi ⊢ φ → Base F ⊆ ℂ
38 37 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ V → Base F ⊆ ℂ
39 3 6 2 29 ipcl ⊢ W ∈ PreHil ∧ y ∈ V ∧ y ∈ V → y , ˙ y ∈ Base F
40 39 3anidm23 ⊢ W ∈ PreHil ∧ y ∈ V → y , ˙ y ∈ Base F
41 4 40 sylan ⊢ φ ∧ y ∈ V → y , ˙ y ∈ Base F
42 38 41 sseldd ⊢ φ ∧ y ∈ V → y , ˙ y ∈ ℂ
43 42 sqrtcld ⊢ φ ∧ y ∈ V → y , ˙ y ∈ ℂ
44 sqeq0 ⊢ y , ˙ y ∈ ℂ → y , ˙ y 2 = 0 ↔ y , ˙ y = 0
45 43 44 syl ⊢ φ ∧ y ∈ V → y , ˙ y 2 = 0 ↔ y , ˙ y = 0
46 42 sqsqrtd ⊢ φ ∧ y ∈ V → y , ˙ y 2 = y , ˙ y
47 1 2 3 4 5 phclm ⊢ φ → W ∈ CMod
48 3 clm0 ⊢ W ∈ CMod → 0 = 0 F
49 47 48 syl ⊢ φ → 0 = 0 F
50 49 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ V → 0 = 0 F
51 46 50 eqeq12d ⊢ φ ∧ y ∈ V → y , ˙ y 2 = 0 ↔ y , ˙ y = 0 F
52 45 51 bitr3d ⊢ φ ∧ y ∈ V → y , ˙ y = 0 ↔ y , ˙ y = 0 F
53 eqid ⊢ 0 F = 0 F
54 3 6 2 53 13 ipeq0 ⊢ W ∈ PreHil ∧ y ∈ V → y , ˙ y = 0 F ↔ y = 0 W
55 4 54 sylan ⊢ φ ∧ y ∈ V → y , ˙ y = 0 F ↔ y = 0 W
56 28 52 55 3bitrd ⊢ φ ∧ y ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y = 0 ↔ y = 0 W
57 4 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → W ∈ PreHil
58 34 simp1d ⊢ φ → F = ℂ fld ↾ 𝑠 Base F
59 58 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → F = ℂ fld ↾ 𝑠 Base F
60 3anass ⊢ x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x ↔ x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x
61 simpr2 ⊢ φ ∧ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ ℝ
62 61 recnd ⊢ φ ∧ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ ℂ
63 62 sqrtcld ⊢ φ ∧ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ ℂ
64 7 63 jca ⊢ φ ∧ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ K ∧ x ∈ ℂ
65 64 ex ⊢ φ → x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ K ∧ x ∈ ℂ
66 35 eleq2d ⊢ φ → x ∈ Base F ↔ x ∈ K ∩ ℂ
67 recn ⊢ x ∈ ℝ → x ∈ ℂ
68 elin ⊢ x ∈ K ∩ ℂ ↔ x ∈ K ∧ x ∈ ℂ
69 68 rbaib ⊢ x ∈ ℂ → x ∈ K ∩ ℂ ↔ x ∈ K
70 67 69 syl ⊢ x ∈ ℝ → x ∈ K ∩ ℂ ↔ x ∈ K
71 66 70 sylan9bb ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → x ∈ Base F ↔ x ∈ K
72 71 adantrr ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ Base F ↔ x ∈ K
73 72 ex ⊢ φ → x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ Base F ↔ x ∈ K
74 73 pm5.32rd ⊢ φ → x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x ↔ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x
75 3anass ⊢ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x ↔ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x
76 74 75 bitr4di ⊢ φ → x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x ↔ x ∈ K ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x
77 35 eleq2d ⊢ φ → x ∈ Base F ↔ x ∈ K ∩ ℂ
78 elin ⊢ x ∈ K ∩ ℂ ↔ x ∈ K ∧ x ∈ ℂ
79 77 78 bitrdi ⊢ φ → x ∈ Base F ↔ x ∈ K ∧ x ∈ ℂ
80 65 76 79 3imtr4d ⊢ φ → x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ Base F
81 60 80 biimtrid ⊢ φ → x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ Base F
82 81 imp ⊢ φ ∧ x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ Base F
83 82 adantlr ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V ∧ x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ Base F
84 8 adantlr ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V ∧ x ∈ V → 0 ≤ x , ˙ x
85 simprl ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y ∈ V
86 simprr ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → z ∈ V
87 1 2 3 57 59 6 83 84 29 12 85 86 tcphcphlem1 ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y - W z , ˙ y - W z ≤ y , ˙ y + z , ˙ z
88 2 12 grpsubcl ⊢ W ∈ Grp ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y - W z ∈ V
89 88 3expb ⊢ W ∈ Grp ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y - W z ∈ V
90 17 89 sylan ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → y - W z ∈ V
91 oveq12 ⊢ x = y - W z ∧ x = y - W z → x , ˙ x = y - W z , ˙ y - W z
92 91 anidms ⊢ x = y - W z → x , ˙ x = y - W z , ˙ y - W z
93 92 fveq2d ⊢ x = y - W z → x , ˙ x = y - W z , ˙ y - W z
94 93 24 25 fvmpt3i ⊢ y - W z ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y - W z = y - W z , ˙ y - W z
95 90 94 syl ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y - W z = y - W z , ˙ y - W z
96 oveq12 ⊢ x = z ∧ x = z → x , ˙ x = z , ˙ z
97 96 anidms ⊢ x = z → x , ˙ x = z , ˙ z
98 97 fveq2d ⊢ x = z → x , ˙ x = z , ˙ z
99 98 24 25 fvmpt3i ⊢ z ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ z = z , ˙ z
100 26 99 oveqan12d ⊢ y ∈ V ∧ z ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y + x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ z = y , ˙ y + z , ˙ z
101 100 adantl ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y + x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ z = y , ˙ y + z , ˙ z
102 87 95 101 3brtr4d ⊢ φ ∧ y ∈ V ∧ z ∈ V → x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y - W z ≤ x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ y + x ∈ V ⟼ x , ˙ x ⁡ z
103 11 2 12 13 17 20 56 102 tngngpd ⊢ φ → G ∈ NrmGrp
104 phllmod ⊢ G ∈ PreHil → G ∈ LMod
105 10 104 syl ⊢ φ → G ∈ LMod
106 cnnrg ⊢ ℂ fld ∈ NrmRing
107 34 simp3d ⊢ φ → Base F ∈ SubRing ⁡ ℂ fld
108 eqid ⊢ ℂ fld ↾ 𝑠 Base F = ℂ fld ↾ 𝑠 Base F
109 108 subrgnrg ⊢ ℂ fld ∈ NrmRing ∧ Base F ∈ SubRing ⁡ ℂ fld → ℂ fld ↾ 𝑠 Base F ∈ NrmRing
110 106 107 109 sylancr ⊢ φ → ℂ fld ↾ 𝑠 Base F ∈ NrmRing
111 58 110 eqeltrd ⊢ φ → F ∈ NrmRing
112 103 105 111 3jca ⊢ φ → G ∈ NrmGrp ∧ G ∈ LMod ∧ F ∈ NrmRing
113 4 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → W ∈ PreHil
114 58 adantr ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → F = ℂ fld ↾ 𝑠 Base F
115 82 adantlr ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V ∧ x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x → x ∈ Base F
116 8 adantlr ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V ∧ x ∈ V → 0 ≤ x , ˙ x
117 eqid ⊢ ⋅ W = ⋅ W
118 simprl ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → y ∈ Base F
119 simprr ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → z ∈ V
120 1 2 3 113 114 6 115 116 29 117 118 119 tcphcphlem2 ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → y ⋅ W z , ˙ y ⋅ W z = y ⁢ z , ˙ z
121 2 3 117 29 lmodvscl ⊢ W ∈ LMod ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → y ⋅ W z ∈ V
122 121 3expb ⊢ W ∈ LMod ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → y ⋅ W z ∈ V
123 15 122 sylan ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → y ⋅ W z ∈ V
124 eqid ⊢ norm ⁡ G = norm ⁡ G
125 1 124 2 6 tcphnmval ⊢ W ∈ Grp ∧ y ⋅ W z ∈ V → norm ⁡ G ⁡ y ⋅ W z = y ⋅ W z , ˙ y ⋅ W z
126 17 123 125 syl2an2r ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → norm ⁡ G ⁡ y ⋅ W z = y ⋅ W z , ˙ y ⋅ W z
127 114 fveq2d ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → norm ⁡ F = norm ⁡ ℂ fld ↾ 𝑠 Base F
128 127 fveq1d ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → norm ⁡ F ⁡ y = norm ⁡ ℂ fld ↾ 𝑠 Base F ⁡ y
129 subrgsubg ⊢ Base F ∈ SubRing ⁡ ℂ fld → Base F ∈ SubGrp ⁡ ℂ fld
130 107 129 syl ⊢ φ → Base F ∈ SubGrp ⁡ ℂ fld
131 cnfldnm ⊢ abs = norm ⁡ ℂ fld
132 eqid ⊢ norm ⁡ ℂ fld ↾ 𝑠 Base F = norm ⁡ ℂ fld ↾ 𝑠 Base F
133 108 131 132 subgnm2 ⊢ Base F ∈ SubGrp ⁡ ℂ fld ∧ y ∈ Base F → norm ⁡ ℂ fld ↾ 𝑠 Base F ⁡ y = y
134 130 118 133 syl2an2r ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → norm ⁡ ℂ fld ↾ 𝑠 Base F ⁡ y = y
135 128 134 eqtrd ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → norm ⁡ F ⁡ y = y
136 1 124 2 6 tcphnmval ⊢ W ∈ Grp ∧ z ∈ V → norm ⁡ G ⁡ z = z , ˙ z
137 17 119 136 syl2an2r ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → norm ⁡ G ⁡ z = z , ˙ z
138 135 137 oveq12d ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → norm ⁡ F ⁡ y ⁢ norm ⁡ G ⁡ z = y ⁢ z , ˙ z
139 120 126 138 3eqtr4d ⊢ φ ∧ y ∈ Base F ∧ z ∈ V → norm ⁡ G ⁡ y ⋅ W z = norm ⁡ F ⁡ y ⁢ norm ⁡ G ⁡ z
140 139 ralrimivva ⊢ φ → ∀ y ∈ Base F ∀ z ∈ V norm ⁡ G ⁡ y ⋅ W z = norm ⁡ F ⁡ y ⁢ norm ⁡ G ⁡ z
141 1 2 tcphbas ⊢ V = Base G
142 1 117 tcphvsca ⊢ ⋅ W = ⋅ G
143 1 3 tcphsca ⊢ F = Scalar ⁡ G
144 eqid ⊢ norm ⁡ F = norm ⁡ F
145 141 124 142 143 29 144 isnlm ⊢ G ∈ NrmMod ↔ G ∈ NrmGrp ∧ G ∈ LMod ∧ F ∈ NrmRing ∧ ∀ y ∈ Base F ∀ z ∈ V norm ⁡ G ⁡ y ⋅ W z = norm ⁡ F ⁡ y ⁢ norm ⁡ G ⁡ z
146 112 140 145 sylanbrc ⊢ φ → G ∈ NrmMod
147 10 146 58 3jca ⊢ φ → G ∈ PreHil ∧ G ∈ NrmMod ∧ F = ℂ fld ↾ 𝑠 Base F
148 elin ⊢ x ∈ Base F ∩ 0 +∞ ↔ x ∈ Base F ∧ x ∈ 0 +∞
149 elrege0 ⊢ x ∈ 0 +∞ ↔ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x
150 149 anbi2i ⊢ x ∈ Base F ∧ x ∈ 0 +∞ ↔ x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x
151 148 150 bitri ⊢ x ∈ Base F ∩ 0 +∞ ↔ x ∈ Base F ∧ x ∈ ℝ ∧ 0 ≤ x
152 151 80 biimtrid ⊢ φ → x ∈ Base F ∩ 0 +∞ → x ∈ Base F
153 152 ralrimiv ⊢ φ → ∀ x ∈ Base F ∩ 0 +∞ x ∈ Base F
154 sqrtf ⊢ √ : ℂ ⟶ ℂ
155 ffun ⊢ √ : ℂ ⟶ ℂ → Fun ⁡ √
156 154 155 ax-mp ⊢ Fun ⁡ √
157 inss1 ⊢ Base F ∩ 0 +∞ ⊆ Base F
158 157 37 sstrid ⊢ φ → Base F ∩ 0 +∞ ⊆ ℂ
159 154 fdmi ⊢ dom ⁡ √ = ℂ
160 158 159 sseqtrrdi ⊢ φ → Base F ∩ 0 +∞ ⊆ dom ⁡ √
161 funimass4 ⊢ Fun ⁡ √ ∧ Base F ∩ 0 +∞ ⊆ dom ⁡ √ → √ Base F ∩ 0 +∞ ⊆ Base F ↔ ∀ x ∈ Base F ∩ 0 +∞ x ∈ Base F
162 156 160 161 sylancr ⊢ φ → √ Base F ∩ 0 +∞ ⊆ Base F ↔ ∀ x ∈ Base F ∩ 0 +∞ x ∈ Base F
163 153 162 mpbird ⊢ φ → √ Base F ∩ 0 +∞ ⊆ Base F
164 43 fmpttd ⊢ φ → y ∈ V ⟼ y , ˙ y : V ⟶ ℂ
165 1 2 6 tcphval ⊢ G = W toNrmGrp y ∈ V ⟼ y , ˙ y
166 cnex ⊢ ℂ ∈ V
167 165 2 166 tngnm ⊢ W ∈ Grp ∧ y ∈ V ⟼ y , ˙ y : V ⟶ ℂ → y ∈ V ⟼ y , ˙ y = norm ⁡ G
168 17 164 167 syl2anc ⊢ φ → y ∈ V ⟼ y , ˙ y = norm ⁡ G
169 168 eqcomd ⊢ φ → norm ⁡ G = y ∈ V ⟼ y , ˙ y
170 1 6 tcphip ⊢ , ˙ = ⋅ 𝑖 ⁡ G
171 141 170 124 143 29 iscph ⊢ G ∈ CPreHil ↔ G ∈ PreHil ∧ G ∈ NrmMod ∧ F = ℂ fld ↾ 𝑠 Base F ∧ √ Base F ∩ 0 +∞ ⊆ Base F ∧ norm ⁡ G = y ∈ V ⟼ y , ˙ y
172 147 163 169 171 syl3anbrc ⊢ φ → G ∈ CPreHil