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Theorem imaelshi

Description: The image of a subspace under a linear operator is a subspace. (Contributed by Mario Carneiro, 19-May-2014) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses rnelsh.1 𝑇 ∈ LinOp
imaelsh.2 𝐴S
Assertion imaelshi ( 𝑇𝐴 ) ∈ S

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 rnelsh.1 𝑇 ∈ LinOp
2 imaelsh.2 𝐴S
3 imassrn ( 𝑇𝐴 ) ⊆ ran 𝑇
4 1 lnopfi 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ
5 frn ( 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ → ran 𝑇 ⊆ ℋ )
6 4 5 ax-mp ran 𝑇 ⊆ ℋ
7 3 6 sstri ( 𝑇𝐴 ) ⊆ ℋ
8 1 lnop0i ( 𝑇 ‘ 0 ) = 0
9 sh0 ( 𝐴S → 0𝐴 )
10 2 9 ax-mp 0𝐴
11 ffun ( 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ → Fun 𝑇 )
12 4 11 ax-mp Fun 𝑇
13 2 shssii 𝐴 ⊆ ℋ
14 4 fdmi dom 𝑇 = ℋ
15 13 14 sseqtrri 𝐴 ⊆ dom 𝑇
16 funfvima2 ( ( Fun 𝑇𝐴 ⊆ dom 𝑇 ) → ( 0𝐴 → ( 𝑇 ‘ 0 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
17 12 15 16 mp2an ( 0𝐴 → ( 𝑇 ‘ 0 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
18 10 17 ax-mp ( 𝑇 ‘ 0 ) ∈ ( 𝑇𝐴 )
19 8 18 eqeltrri 0 ∈ ( 𝑇𝐴 )
20 7 19 pm3.2i ( ( 𝑇𝐴 ) ⊆ ℋ ∧ 0 ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
21 ffn ( 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ → 𝑇 Fn ℋ )
22 4 21 ax-mp 𝑇 Fn ℋ
23 oveq1 ( 𝑢 = ( 𝑇𝑥 ) → ( 𝑢 + 𝑣 ) = ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) )
24 23 eleq1d ( 𝑢 = ( 𝑇𝑥 ) → ( ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
25 24 ralbidv ( 𝑢 = ( 𝑇𝑥 ) → ( ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
26 25 ralima ( ( 𝑇 Fn ℋ ∧ 𝐴 ⊆ ℋ ) → ( ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ∀ 𝑥𝐴𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
27 22 13 26 mp2an ( ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ∀ 𝑥𝐴𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
28 2 sheli ( 𝑥𝐴𝑥 ∈ ℋ )
29 2 sheli ( 𝑦𝐴𝑦 ∈ ℋ )
30 1 lnopaddi ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ 𝑦 ∈ ℋ ) → ( 𝑇 ‘ ( 𝑥 + 𝑦 ) ) = ( ( 𝑇𝑥 ) + ( 𝑇𝑦 ) ) )
31 28 29 30 syl2an ( ( 𝑥𝐴𝑦𝐴 ) → ( 𝑇 ‘ ( 𝑥 + 𝑦 ) ) = ( ( 𝑇𝑥 ) + ( 𝑇𝑦 ) ) )
32 shaddcl ( ( 𝐴S𝑥𝐴𝑦𝐴 ) → ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝐴 )
33 2 32 mp3an1 ( ( 𝑥𝐴𝑦𝐴 ) → ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝐴 )
34 funfvima2 ( ( Fun 𝑇𝐴 ⊆ dom 𝑇 ) → ( ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝐴 → ( 𝑇 ‘ ( 𝑥 + 𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
35 12 15 34 mp2an ( ( 𝑥 + 𝑦 ) ∈ 𝐴 → ( 𝑇 ‘ ( 𝑥 + 𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
36 33 35 syl ( ( 𝑥𝐴𝑦𝐴 ) → ( 𝑇 ‘ ( 𝑥 + 𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
37 31 36 eqeltrrd ( ( 𝑥𝐴𝑦𝐴 ) → ( ( 𝑇𝑥 ) + ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
38 37 ralrimiva ( 𝑥𝐴 → ∀ 𝑦𝐴 ( ( 𝑇𝑥 ) + ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
39 oveq2 ( 𝑣 = ( 𝑇𝑦 ) → ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) = ( ( 𝑇𝑥 ) + ( 𝑇𝑦 ) ) )
40 39 eleq1d ( 𝑣 = ( 𝑇𝑦 ) → ( ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ( ( 𝑇𝑥 ) + ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
41 40 ralima ( ( 𝑇 Fn ℋ ∧ 𝐴 ⊆ ℋ ) → ( ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ∀ 𝑦𝐴 ( ( 𝑇𝑥 ) + ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
42 22 13 41 mp2an ( ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ∀ 𝑦𝐴 ( ( 𝑇𝑥 ) + ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
43 38 42 sylibr ( 𝑥𝐴 → ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( ( 𝑇𝑥 ) + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
44 27 43 mprgbir 𝑢 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 )
45 1 lnopmuli ( ( 𝑢 ∈ ℂ ∧ 𝑦 ∈ ℋ ) → ( 𝑇 ‘ ( 𝑢 · 𝑦 ) ) = ( 𝑢 · ( 𝑇𝑦 ) ) )
46 29 45 sylan2 ( ( 𝑢 ∈ ℂ ∧ 𝑦𝐴 ) → ( 𝑇 ‘ ( 𝑢 · 𝑦 ) ) = ( 𝑢 · ( 𝑇𝑦 ) ) )
47 shmulcl ( ( 𝐴S𝑢 ∈ ℂ ∧ 𝑦𝐴 ) → ( 𝑢 · 𝑦 ) ∈ 𝐴 )
48 2 47 mp3an1 ( ( 𝑢 ∈ ℂ ∧ 𝑦𝐴 ) → ( 𝑢 · 𝑦 ) ∈ 𝐴 )
49 funfvima2 ( ( Fun 𝑇𝐴 ⊆ dom 𝑇 ) → ( ( 𝑢 · 𝑦 ) ∈ 𝐴 → ( 𝑇 ‘ ( 𝑢 · 𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
50 12 15 49 mp2an ( ( 𝑢 · 𝑦 ) ∈ 𝐴 → ( 𝑇 ‘ ( 𝑢 · 𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
51 48 50 syl ( ( 𝑢 ∈ ℂ ∧ 𝑦𝐴 ) → ( 𝑇 ‘ ( 𝑢 · 𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
52 46 51 eqeltrrd ( ( 𝑢 ∈ ℂ ∧ 𝑦𝐴 ) → ( 𝑢 · ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
53 52 ralrimiva ( 𝑢 ∈ ℂ → ∀ 𝑦𝐴 ( 𝑢 · ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
54 oveq2 ( 𝑣 = ( 𝑇𝑦 ) → ( 𝑢 · 𝑣 ) = ( 𝑢 · ( 𝑇𝑦 ) ) )
55 54 eleq1d ( 𝑣 = ( 𝑇𝑦 ) → ( ( 𝑢 · 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ( 𝑢 · ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
56 55 ralima ( ( 𝑇 Fn ℋ ∧ 𝐴 ⊆ ℋ ) → ( ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 · 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ∀ 𝑦𝐴 ( 𝑢 · ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) )
57 22 13 56 mp2an ( ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 · 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ↔ ∀ 𝑦𝐴 ( 𝑢 · ( 𝑇𝑦 ) ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
58 53 57 sylibr ( 𝑢 ∈ ℂ → ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 · 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
59 58 rgen 𝑢 ∈ ℂ ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 · 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 )
60 44 59 pm3.2i ( ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ∧ ∀ 𝑢 ∈ ℂ ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 · 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) )
61 issh2 ( ( 𝑇𝐴 ) ∈ S ↔ ( ( ( 𝑇𝐴 ) ⊆ ℋ ∧ 0 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) ∧ ( ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 + 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ∧ ∀ 𝑢 ∈ ℂ ∀ 𝑣 ∈ ( 𝑇𝐴 ) ( 𝑢 · 𝑣 ) ∈ ( 𝑇𝐴 ) ) ) )
62 20 60 61 mpbir2an ( 𝑇𝐴 ) ∈ S