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Theorem dimlssid

Description: If the dimension of a linear subspace L is the dimension of the whole vector space E , then L is the whole space. (Contributed by Thierry Arnoux, 3-Aug-2025)

Ref Expression
Hypotheses dimlssid.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝐸 )
dimlssid.e ( 𝜑𝐸 ∈ LVec )
dimlssid.1 ( 𝜑 → ( dim ‘ 𝐸 ) ∈ ℕ0 )
dimlssid.l ( 𝜑𝐿 ∈ ( LSubSp ‘ 𝐸 ) )
dimlssid.2 ( 𝜑 → ( dim ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) = ( dim ‘ 𝐸 ) )
Assertion dimlssid ( 𝜑𝐿 = 𝐵 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 dimlssid.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝐸 )
2 dimlssid.e ( 𝜑𝐸 ∈ LVec )
3 dimlssid.1 ( 𝜑 → ( dim ‘ 𝐸 ) ∈ ℕ0 )
4 dimlssid.l ( 𝜑𝐿 ∈ ( LSubSp ‘ 𝐸 ) )
5 dimlssid.2 ( 𝜑 → ( dim ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) = ( dim ‘ 𝐸 ) )
6 eqid ( 𝐸s 𝐿 ) = ( 𝐸s 𝐿 )
7 eqid ( LSubSp ‘ 𝐸 ) = ( LSubSp ‘ 𝐸 )
8 6 7 lsslvec ( ( 𝐸 ∈ LVec ∧ 𝐿 ∈ ( LSubSp ‘ 𝐸 ) ) → ( 𝐸s 𝐿 ) ∈ LVec )
9 2 4 8 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝐸s 𝐿 ) ∈ LVec )
10 eqid ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) = ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) )
11 10 lbsex ( ( 𝐸s 𝐿 ) ∈ LVec → ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ≠ ∅ )
12 9 11 syl ( 𝜑 → ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ≠ ∅ )
13 simplr ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) )
14 eqid ( LBasis ‘ 𝐸 ) = ( LBasis ‘ 𝐸 )
15 14 dimval ( ( 𝐸 ∈ LVec ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) → ( dim ‘ 𝐸 ) = ( ♯ ‘ 𝑠 ) )
16 2 15 sylan ( ( 𝜑𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) → ( dim ‘ 𝐸 ) = ( ♯ ‘ 𝑠 ) )
17 16 ad4ant13 ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( dim ‘ 𝐸 ) = ( ♯ ‘ 𝑠 ) )
18 3 ad3antrrr ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( dim ‘ 𝐸 ) ∈ ℕ0 )
19 17 18 eqeltrrd ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( ♯ ‘ 𝑠 ) ∈ ℕ0 )
20 hashclb ( 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) → ( 𝑠 ∈ Fin ↔ ( ♯ ‘ 𝑠 ) ∈ ℕ0 ) )
21 20 biimpar ( ( 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ∧ ( ♯ ‘ 𝑠 ) ∈ ℕ0 ) → 𝑠 ∈ Fin )
22 13 19 21 syl2anc ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝑠 ∈ Fin )
23 simpr ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝑡𝑠 )
24 5 ad3antrrr ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( dim ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) = ( dim ‘ 𝐸 ) )
25 9 ad3antrrr ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( 𝐸s 𝐿 ) ∈ LVec )
26 simpllr ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
27 10 dimval ( ( ( 𝐸s 𝐿 ) ∈ LVec ∧ 𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → ( dim ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) = ( ♯ ‘ 𝑡 ) )
28 25 26 27 syl2anc ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( dim ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) = ( ♯ ‘ 𝑡 ) )
29 24 28 17 3eqtr3d ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( ♯ ‘ 𝑡 ) = ( ♯ ‘ 𝑠 ) )
30 22 23 29 phphashrd ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝑡 = 𝑠 )
31 30 fveq2d ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ 𝑡 ) = ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ 𝑠 ) )
32 1 7 lssss ( 𝐿 ∈ ( LSubSp ‘ 𝐸 ) → 𝐿𝐵 )
33 6 1 ressbas2 ( 𝐿𝐵𝐿 = ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
34 4 32 33 3syl ( 𝜑𝐿 = ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
35 34 ad3antrrr ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝐿 = ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
36 eqid ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) = ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) )
37 eqid ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) = ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) )
38 36 10 37 lbssp ( 𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) → ( ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ‘ 𝑡 ) = ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
39 26 38 syl ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ‘ 𝑡 ) = ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
40 2 lveclmodd ( 𝜑𝐸 ∈ LMod )
41 40 ad3antrrr ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝐸 ∈ LMod )
42 4 ad3antrrr ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝐿 ∈ ( LSubSp ‘ 𝐸 ) )
43 36 10 lbsss ( 𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) → 𝑡 ⊆ ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
44 26 43 syl ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝑡 ⊆ ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
45 44 35 sseqtrrd ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝑡𝐿 )
46 eqid ( LSpan ‘ 𝐸 ) = ( LSpan ‘ 𝐸 )
47 6 46 37 7 lsslsp ( ( 𝐸 ∈ LMod ∧ 𝐿 ∈ ( LSubSp ‘ 𝐸 ) ∧ 𝑡𝐿 ) → ( ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ‘ 𝑡 ) = ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ 𝑡 ) )
48 41 42 45 47 syl3anc ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ‘ 𝑡 ) = ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ 𝑡 ) )
49 35 39 48 3eqtr2rd ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ 𝑡 ) = 𝐿 )
50 1 14 46 lbssp ( 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) → ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ 𝑠 ) = 𝐵 )
51 13 50 syl ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ 𝑠 ) = 𝐵 )
52 31 49 51 3eqtr3d ( ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) ) ∧ 𝑡𝑠 ) → 𝐿 = 𝐵 )
53 2 adantr ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → 𝐸 ∈ LVec )
54 43 adantl ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → 𝑡 ⊆ ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
55 34 adantr ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → 𝐿 = ( Base ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
56 54 55 sseqtrrd ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → 𝑡𝐿 )
57 4 32 syl ( 𝜑𝐿𝐵 )
58 57 adantr ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → 𝐿𝐵 )
59 56 58 sstrd ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → 𝑡𝐵 )
60 9 lveclmodd ( 𝜑 → ( 𝐸s 𝐿 ) ∈ LMod )
61 60 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → ( 𝐸s 𝐿 ) ∈ LMod )
62 eqid ( Scalar ‘ 𝐸 ) = ( Scalar ‘ 𝐸 )
63 62 lvecdrng ( 𝐸 ∈ LVec → ( Scalar ‘ 𝐸 ) ∈ DivRing )
64 drngnzr ( ( Scalar ‘ 𝐸 ) ∈ DivRing → ( Scalar ‘ 𝐸 ) ∈ NzRing )
65 2 63 64 3syl ( 𝜑 → ( Scalar ‘ 𝐸 ) ∈ NzRing )
66 eqid ( 1r ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) ) = ( 1r ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) )
67 eqid ( 0g ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) ) = ( 0g ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) )
68 66 67 nzrnz ( ( Scalar ‘ 𝐸 ) ∈ NzRing → ( 1r ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) ) ≠ ( 0g ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) ) )
69 65 68 syl ( 𝜑 → ( 1r ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) ) ≠ ( 0g ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) ) )
70 6 62 resssca ( 𝐿 ∈ ( LSubSp ‘ 𝐸 ) → ( Scalar ‘ 𝐸 ) = ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
71 4 70 syl ( 𝜑 → ( Scalar ‘ 𝐸 ) = ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
72 71 fveq2d ( 𝜑 → ( 1r ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) ) = ( 1r ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) )
73 71 fveq2d ( 𝜑 → ( 0g ‘ ( Scalar ‘ 𝐸 ) ) = ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) )
74 69 72 73 3netr3d ( 𝜑 → ( 1r ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ≠ ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) )
75 74 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → ( 1r ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ≠ ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) )
76 simplr ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → 𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
77 simpr ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → 𝑢𝑡 )
78 eqid ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) = ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) )
79 eqid ( 1r ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) = ( 1r ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
80 eqid ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) = ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) )
81 10 37 78 79 80 lbsind2 ( ( ( ( 𝐸s 𝐿 ) ∈ LMod ∧ ( 1r ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ≠ ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ) ∧ 𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → ¬ 𝑢 ∈ ( ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ‘ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ) )
82 61 75 76 77 81 syl211anc ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → ¬ 𝑢 ∈ ( ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ‘ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ) )
83 40 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → 𝐸 ∈ LMod )
84 4 ad2antrr ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → 𝐿 ∈ ( LSubSp ‘ 𝐸 ) )
85 56 adantr ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → 𝑡𝐿 )
86 85 ssdifssd ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ⊆ 𝐿 )
87 6 46 37 7 lsslsp ( ( 𝐸 ∈ LMod ∧ 𝐿 ∈ ( LSubSp ‘ 𝐸 ) ∧ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ⊆ 𝐿 ) → ( ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ‘ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ) = ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ) )
88 83 84 86 87 syl3anc ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → ( ( LSpan ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ‘ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ) = ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ) )
89 82 88 neleqtrd ( ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) ∧ 𝑢𝑡 ) → ¬ 𝑢 ∈ ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ) )
90 89 ralrimiva ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → ∀ 𝑢𝑡 ¬ 𝑢 ∈ ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ) )
91 14 1 46 lbsext ( ( 𝐸 ∈ LVec ∧ 𝑡𝐵 ∧ ∀ 𝑢𝑡 ¬ 𝑢 ∈ ( ( LSpan ‘ 𝐸 ) ‘ ( 𝑡 ∖ { 𝑢 } ) ) ) → ∃ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) 𝑡𝑠 )
92 53 59 90 91 syl3anc ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → ∃ 𝑠 ∈ ( LBasis ‘ 𝐸 ) 𝑡𝑠 )
93 52 92 r19.29a ( ( 𝜑𝑡 ∈ ( LBasis ‘ ( 𝐸s 𝐿 ) ) ) → 𝐿 = 𝐵 )
94 12 93 n0limd ( 𝜑𝐿 = 𝐵 )