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Theorem csscld

Description: A "closed subspace" in a subcomplex pre-Hilbert space is actually closed in the topology induced by the norm, thus justifying the terminology "closed subspace". (Contributed by Mario Carneiro, 13-Oct-2015)

Ref Expression
Hypotheses csscld.c ⊒ 𝐢 = ( ClSubSp β€˜ π‘Š )
csscld.j ⊒ 𝐽 = ( TopOpen β€˜ π‘Š )
Assertion csscld ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ 𝑆 ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 csscld.c ⊒ 𝐢 = ( ClSubSp β€˜ π‘Š )
2 csscld.j ⊒ 𝐽 = ( TopOpen β€˜ π‘Š )
3 eqid ⊒ ( ocv β€˜ π‘Š ) = ( ocv β€˜ π‘Š )
4 3 1 cssi ⊒ ( 𝑆 ∈ 𝐢 β†’ 𝑆 = ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) ) )
5 4 adantl ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ 𝑆 = ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) ) )
6 eqid ⊒ ( Base β€˜ π‘Š ) = ( Base β€˜ π‘Š )
7 6 3 ocvss ⊒ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) βŠ† ( Base β€˜ π‘Š )
8 eqid ⊒ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) = ( ·𝑖 β€˜ π‘Š )
9 eqid ⊒ ( Scalar β€˜ π‘Š ) = ( Scalar β€˜ π‘Š )
10 eqid ⊒ ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) )
11 6 8 9 10 3 ocvval ⊒ ( ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) βŠ† ( Base β€˜ π‘Š ) β†’ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) ) = { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ βˆ€ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } )
12 7 11 mp1i ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) ) = { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ βˆ€ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } )
13 riinrab ⊒ ( ( Base β€˜ π‘Š ) ∩ ∩ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) = { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ βˆ€ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) }
14 12 13 eqtr4di ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) ) = ( ( Base β€˜ π‘Š ) ∩ ∩ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) )
15 cphnlm ⊒ ( π‘Š ∈ β„‚PreHil β†’ π‘Š ∈ NrmMod )
16 15 adantr ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ π‘Š ∈ NrmMod )
17 nlmngp ⊒ ( π‘Š ∈ NrmMod β†’ π‘Š ∈ NrmGrp )
18 ngptps ⊒ ( π‘Š ∈ NrmGrp β†’ π‘Š ∈ TopSp )
19 16 17 18 3syl ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ π‘Š ∈ TopSp )
20 6 2 istps ⊒ ( π‘Š ∈ TopSp ↔ 𝐽 ∈ ( TopOn β€˜ ( Base β€˜ π‘Š ) ) )
21 19 20 sylib ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ 𝐽 ∈ ( TopOn β€˜ ( Base β€˜ π‘Š ) ) )
22 toponuni ⊒ ( 𝐽 ∈ ( TopOn β€˜ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ ( Base β€˜ π‘Š ) = βˆͺ 𝐽 )
23 21 22 syl ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ ( Base β€˜ π‘Š ) = βˆͺ 𝐽 )
24 23 ineq1d ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ ( ( Base β€˜ π‘Š ) ∩ ∩ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) = ( βˆͺ 𝐽 ∩ ∩ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) )
25 5 14 24 3eqtrd ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ 𝑆 = ( βˆͺ 𝐽 ∩ ∩ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) )
26 topontop ⊒ ( 𝐽 ∈ ( TopOn β€˜ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ 𝐽 ∈ Top )
27 21 26 syl ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ 𝐽 ∈ Top )
28 7 sseli ⊒ ( 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) β†’ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) )
29 fvex ⊒ ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) ∈ V
30 eqid ⊒ ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) ) = ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) )
31 30 mptiniseg ⊒ ( ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) ∈ V β†’ ( β—‘ ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) ) β€œ { ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) = { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } )
32 29 31 ax-mp ⊒ ( β—‘ ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) ) β€œ { ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) = { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) }
33 eqid ⊒ ( TopOpen β€˜ β„‚fld ) = ( TopOpen β€˜ β„‚fld )
34 simpll ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ π‘Š ∈ β„‚PreHil )
35 21 adantr ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ 𝐽 ∈ ( TopOn β€˜ ( Base β€˜ π‘Š ) ) )
36 35 cnmptid ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ π‘₯ ) ∈ ( 𝐽 Cn 𝐽 ) )
37 simpr ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) )
38 35 35 37 cnmptc ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ 𝑦 ) ∈ ( 𝐽 Cn 𝐽 ) )
39 2 33 8 34 35 36 38 cnmpt1ip ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) ) ∈ ( 𝐽 Cn ( TopOpen β€˜ β„‚fld ) ) )
40 33 cnfldhaus ⊒ ( TopOpen β€˜ β„‚fld ) ∈ Haus
41 cphclm ⊒ ( π‘Š ∈ β„‚PreHil β†’ π‘Š ∈ β„‚Mod )
42 9 clm0 ⊒ ( π‘Š ∈ β„‚Mod β†’ 0 = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) )
43 41 42 syl ⊒ ( π‘Š ∈ β„‚PreHil β†’ 0 = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) )
44 43 ad2antrr ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ 0 = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) )
45 0cn ⊒ 0 ∈ β„‚
46 44 45 eqeltrrdi ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) ∈ β„‚ )
47 unicntop ⊒ β„‚ = βˆͺ ( TopOpen β€˜ β„‚fld )
48 47 sncld ⊒ ( ( ( TopOpen β€˜ β„‚fld ) ∈ Haus ∧ ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) ∈ β„‚ ) β†’ { ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ∈ ( Clsd β€˜ ( TopOpen β€˜ β„‚fld ) ) )
49 40 46 48 sylancr ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ { ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ∈ ( Clsd β€˜ ( TopOpen β€˜ β„‚fld ) ) )
50 cnclima ⊒ ( ( ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) ) ∈ ( 𝐽 Cn ( TopOpen β€˜ β„‚fld ) ) ∧ { ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ∈ ( Clsd β€˜ ( TopOpen β€˜ β„‚fld ) ) ) β†’ ( β—‘ ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) ) β€œ { ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) )
51 39 49 50 syl2anc ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ ( β—‘ ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ↦ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) ) β€œ { ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) )
52 32 51 eqeltrrid ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ) β†’ { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) )
53 28 52 sylan2 ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) ∧ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) ) β†’ { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) )
54 53 ralrimiva ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ βˆ€ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) )
55 eqid ⊒ βˆͺ 𝐽 = βˆͺ 𝐽
56 55 riincld ⊒ ( ( 𝐽 ∈ Top ∧ βˆ€ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) ) β†’ ( βˆͺ 𝐽 ∩ ∩ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) )
57 27 54 56 syl2anc ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ ( βˆͺ 𝐽 ∩ ∩ 𝑦 ∈ ( ( ocv β€˜ π‘Š ) β€˜ 𝑆 ) { π‘₯ ∈ ( Base β€˜ π‘Š ) ∣ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) 𝑦 ) = ( 0g β€˜ ( Scalar β€˜ π‘Š ) ) } ) ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) )
58 25 57 eqeltrd ⊒ ( ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ∧ 𝑆 ∈ 𝐢 ) β†’ 𝑆 ∈ ( Clsd β€˜ 𝐽 ) )