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Theorem elrsp

Description: Write the elements of a ring span as finite linear combinations. (Contributed by Thierry Arnoux, 1-Jun-2024)

Ref Expression
Hypotheses elrsp.n 𝑁 = ( RSpan ‘ 𝑅 )
elrsp.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝑅 )
elrsp.1 0 = ( 0g𝑅 )
elrsp.x · = ( .r𝑅 )
elrsp.r ( 𝜑𝑅 ∈ Ring )
elrsp.i ( 𝜑𝐼𝐵 )
Assertion elrsp ( 𝜑 → ( 𝑋 ∈ ( 𝑁𝐼 ) ↔ ∃ 𝑎 ∈ ( 𝐵m 𝐼 ) ( 𝑎 finSupp 0𝑋 = ( 𝑅 Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 elrsp.n 𝑁 = ( RSpan ‘ 𝑅 )
2 elrsp.b 𝐵 = ( Base ‘ 𝑅 )
3 elrsp.1 0 = ( 0g𝑅 )
4 elrsp.x · = ( .r𝑅 )
5 elrsp.r ( 𝜑𝑅 ∈ Ring )
6 elrsp.i ( 𝜑𝐼𝐵 )
7 rspval ( RSpan ‘ 𝑅 ) = ( LSpan ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) )
8 1 7 eqtri 𝑁 = ( LSpan ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) )
9 rlmbas ( Base ‘ 𝑅 ) = ( Base ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) )
10 2 9 eqtri 𝐵 = ( Base ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) )
11 eqid ( Base ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) = ( Base ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) )
12 eqid ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) = ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) )
13 eqid ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) = ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) )
14 rlmvsca ( .r𝑅 ) = ( ·𝑠 ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) )
15 4 14 eqtri · = ( ·𝑠 ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) )
16 rlmlmod ( 𝑅 ∈ Ring → ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ∈ LMod )
17 5 16 syl ( 𝜑 → ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ∈ LMod )
18 8 10 11 12 13 15 17 6 ellspds ( 𝜑 → ( 𝑋 ∈ ( 𝑁𝐼 ) ↔ ∃ 𝑎 ∈ ( ( Base ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) ↑m 𝐼 ) ( 𝑎 finSupp ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) ∧ 𝑋 = ( ( ringLMod ‘ 𝑅 ) Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) ) ) )
19 rlmsca ( 𝑅 ∈ Ring → 𝑅 = ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) )
20 5 19 syl ( 𝜑𝑅 = ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) )
21 20 fveq2d ( 𝜑 → ( Base ‘ 𝑅 ) = ( Base ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) )
22 2 21 eqtrid ( 𝜑𝐵 = ( Base ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) )
23 22 oveq1d ( 𝜑 → ( 𝐵m 𝐼 ) = ( ( Base ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) ↑m 𝐼 ) )
24 20 fveq2d ( 𝜑 → ( 0g𝑅 ) = ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) )
25 3 24 eqtrid ( 𝜑0 = ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) )
26 25 breq2d ( 𝜑 → ( 𝑎 finSupp 0𝑎 finSupp ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) ) )
27 2 fvexi 𝐵 ∈ V
28 27 a1i ( 𝜑𝐵 ∈ V )
29 28 6 ssexd ( 𝜑𝐼 ∈ V )
30 29 mptexd ( 𝜑 → ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ∈ V )
31 9 a1i ( 𝜑 → ( Base ‘ 𝑅 ) = ( Base ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) )
32 rlmplusg ( +g𝑅 ) = ( +g ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) )
33 32 a1i ( 𝜑 → ( +g𝑅 ) = ( +g ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) )
34 30 5 17 31 33 gsumpropd ( 𝜑 → ( 𝑅 Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) = ( ( ringLMod ‘ 𝑅 ) Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) )
35 34 eqeq2d ( 𝜑 → ( 𝑋 = ( 𝑅 Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) ↔ 𝑋 = ( ( ringLMod ‘ 𝑅 ) Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) ) )
36 26 35 anbi12d ( 𝜑 → ( ( 𝑎 finSupp 0𝑋 = ( 𝑅 Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) ) ↔ ( 𝑎 finSupp ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) ∧ 𝑋 = ( ( ringLMod ‘ 𝑅 ) Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) ) ) )
37 23 36 rexeqbidv ( 𝜑 → ( ∃ 𝑎 ∈ ( 𝐵m 𝐼 ) ( 𝑎 finSupp 0𝑋 = ( 𝑅 Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) ) ↔ ∃ 𝑎 ∈ ( ( Base ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) ↑m 𝐼 ) ( 𝑎 finSupp ( 0g ‘ ( Scalar ‘ ( ringLMod ‘ 𝑅 ) ) ) ∧ 𝑋 = ( ( ringLMod ‘ 𝑅 ) Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) ) ) )
38 18 37 bitr4d ( 𝜑 → ( 𝑋 ∈ ( 𝑁𝐼 ) ↔ ∃ 𝑎 ∈ ( 𝐵m 𝐼 ) ( 𝑎 finSupp 0𝑋 = ( 𝑅 Σg ( 𝑖𝐼 ↦ ( ( 𝑎𝑖 ) · 𝑖 ) ) ) ) ) )