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Theorem tngngp

Description: Derive the axioms for a normed group from the axioms for a metric space. (Contributed by Mario Carneiro, 4-Oct-2015)

Ref Expression
Hypotheses tngngp.t ⊢ T = G toNrmGrp N
tngngp.x ⊢ X = Base G
tngngp.m ⊢ - ˙ = - G
tngngp.z ⊢ 0 ˙ = 0 G
Assertion tngngp ⊢ N : X ⟶ ℝ → T ∈ NrmGrp ↔ G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 tngngp.t ⊢ T = G toNrmGrp N
2 tngngp.x ⊢ X = Base G
3 tngngp.m ⊢ - ˙ = - G
4 tngngp.z ⊢ 0 ˙ = 0 G
5 eqid ⊢ dist ⁡ T = dist ⁡ T
6 1 2 5 tngngp2 ⊢ N : X ⟶ ℝ → T ∈ NrmGrp ↔ G ∈ Grp ∧ dist ⁡ T ∈ Met ⁡ X
7 6 simprbda ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp → G ∈ Grp
8 simplr ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → T ∈ NrmGrp
9 simpr ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → x ∈ X
10 2 fvexi ⊢ X ∈ V
11 reex ⊢ ℝ ∈ V
12 fex2 ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ X ∈ V ∧ ℝ ∈ V → N ∈ V
13 10 11 12 mp3an23 ⊢ N : X ⟶ ℝ → N ∈ V
14 13 ad2antrr ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N ∈ V
15 1 2 tngbas ⊢ N ∈ V → X = Base T
16 14 15 syl ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → X = Base T
17 9 16 eleqtrd ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → x ∈ Base T
18 eqid ⊢ Base T = Base T
19 eqid ⊢ norm ⁡ T = norm ⁡ T
20 eqid ⊢ 0 T = 0 T
21 18 19 20 nmeq0 ⊢ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ Base T → norm ⁡ T ⁡ x = 0 ↔ x = 0 T
22 8 17 21 syl2anc ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → norm ⁡ T ⁡ x = 0 ↔ x = 0 T
23 7 adantr ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → G ∈ Grp
24 simpll ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N : X ⟶ ℝ
25 1 2 11 tngnm ⊢ G ∈ Grp ∧ N : X ⟶ ℝ → N = norm ⁡ T
26 23 24 25 syl2anc ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N = norm ⁡ T
27 26 fveq1d ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N ⁡ x = norm ⁡ T ⁡ x
28 27 eqeq1d ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N ⁡ x = 0 ↔ norm ⁡ T ⁡ x = 0
29 1 4 tng0 ⊢ N ∈ V → 0 ˙ = 0 T
30 14 29 syl ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → 0 ˙ = 0 T
31 30 eqeq2d ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → x = 0 ˙ ↔ x = 0 T
32 22 28 31 3bitr4d ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙
33 simpllr ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → T ∈ NrmGrp
34 17 adantr ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → x ∈ Base T
35 16 eleq2d ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → y ∈ X ↔ y ∈ Base T
36 35 biimpa ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → y ∈ Base T
37 eqid ⊢ - T = - T
38 18 19 37 nmmtri ⊢ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ Base T ∧ y ∈ Base T → norm ⁡ T ⁡ x - T y ≤ norm ⁡ T ⁡ x + norm ⁡ T ⁡ y
39 33 34 36 38 syl3anc ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → norm ⁡ T ⁡ x - T y ≤ norm ⁡ T ⁡ x + norm ⁡ T ⁡ y
40 2 16 eqtr3id ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → Base G = Base T
41 eqid ⊢ + G = + G
42 1 41 tngplusg ⊢ N ∈ V → + G = + T
43 14 42 syl ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → + G = + T
44 40 43 grpsubpropd ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → - G = - T
45 3 44 eqtrid ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → - ˙ = - T
46 45 oveqd ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → x - ˙ y = x - T y
47 26 46 fveq12d ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N ⁡ x - ˙ y = norm ⁡ T ⁡ x - T y
48 47 adantr ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → N ⁡ x - ˙ y = norm ⁡ T ⁡ x - T y
49 26 fveq1d ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N ⁡ y = norm ⁡ T ⁡ y
50 27 49 oveq12d ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N ⁡ x + N ⁡ y = norm ⁡ T ⁡ x + norm ⁡ T ⁡ y
51 50 adantr ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → N ⁡ x + N ⁡ y = norm ⁡ T ⁡ x + norm ⁡ T ⁡ y
52 39 48 51 3brtr4d ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X ∧ y ∈ X → N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y
53 52 ralrimiva ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y
54 32 53 jca ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp ∧ x ∈ X → N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y
55 54 ralrimiva ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp → ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y
56 7 55 jca ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ T ∈ NrmGrp → G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y
57 simprl ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → G ∈ Grp
58 simpl ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → N : X ⟶ ℝ
59 simpl ⊢ N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙
60 59 ralimi ⊢ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙
61 60 ad2antll ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙
62 fveq2 ⊢ x = a → N ⁡ x = N ⁡ a
63 62 eqeq1d ⊢ x = a → N ⁡ x = 0 ↔ N ⁡ a = 0
64 eqeq1 ⊢ x = a → x = 0 ˙ ↔ a = 0 ˙
65 63 64 bibi12d ⊢ x = a → N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ↔ N ⁡ a = 0 ↔ a = 0 ˙
66 65 rspccva ⊢ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ a ∈ X → N ⁡ a = 0 ↔ a = 0 ˙
67 61 66 sylan ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y ∧ a ∈ X → N ⁡ a = 0 ↔ a = 0 ˙
68 simpr ⊢ N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y
69 68 ralimi ⊢ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y
70 69 ad2antll ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y
71 fvoveq1 ⊢ x = a → N ⁡ x - ˙ y = N ⁡ a - ˙ y
72 62 oveq1d ⊢ x = a → N ⁡ x + N ⁡ y = N ⁡ a + N ⁡ y
73 71 72 breq12d ⊢ x = a → N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y ↔ N ⁡ a - ˙ y ≤ N ⁡ a + N ⁡ y
74 oveq2 ⊢ y = b → a - ˙ y = a - ˙ b
75 74 fveq2d ⊢ y = b → N ⁡ a - ˙ y = N ⁡ a - ˙ b
76 fveq2 ⊢ y = b → N ⁡ y = N ⁡ b
77 76 oveq2d ⊢ y = b → N ⁡ a + N ⁡ y = N ⁡ a + N ⁡ b
78 75 77 breq12d ⊢ y = b → N ⁡ a - ˙ y ≤ N ⁡ a + N ⁡ y ↔ N ⁡ a - ˙ b ≤ N ⁡ a + N ⁡ b
79 73 78 rspc2va ⊢ a ∈ X ∧ b ∈ X ∧ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → N ⁡ a - ˙ b ≤ N ⁡ a + N ⁡ b
80 79 ancoms ⊢ ∀ x ∈ X ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y ∧ a ∈ X ∧ b ∈ X → N ⁡ a - ˙ b ≤ N ⁡ a + N ⁡ b
81 70 80 sylan ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y ∧ a ∈ X ∧ b ∈ X → N ⁡ a - ˙ b ≤ N ⁡ a + N ⁡ b
82 1 2 3 4 57 58 67 81 tngngpd ⊢ N : X ⟶ ℝ ∧ G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y → T ∈ NrmGrp
83 56 82 impbida ⊢ N : X ⟶ ℝ → T ∈ NrmGrp ↔ G ∈ Grp ∧ ∀ x ∈ X N ⁡ x = 0 ↔ x = 0 ˙ ∧ ∀ y ∈ X N ⁡ x - ˙ y ≤ N ⁡ x + N ⁡ y