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Theorem iscph

Description: A subcomplex pre-Hilbert space is exactly a pre-Hilbert space over a subfield of the field of complex numbers closed under square roots of nonnegative reals equipped with a norm. (Contributed by Mario Carneiro, 8-Oct-2015)

Ref Expression
Hypotheses iscph.v ⊒ 𝑉 = ( Base β€˜ π‘Š )
iscph.h ⊒ , = ( ·𝑖 β€˜ π‘Š )
iscph.n ⊒ 𝑁 = ( norm β€˜ π‘Š )
iscph.f ⊒ 𝐹 = ( Scalar β€˜ π‘Š )
iscph.k ⊒ 𝐾 = ( Base β€˜ 𝐹 )
Assertion iscph ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ↔ ( ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ∧ ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 iscph.v ⊒ 𝑉 = ( Base β€˜ π‘Š )
2 iscph.h ⊒ , = ( ·𝑖 β€˜ π‘Š )
3 iscph.n ⊒ 𝑁 = ( norm β€˜ π‘Š )
4 iscph.f ⊒ 𝐹 = ( Scalar β€˜ π‘Š )
5 iscph.k ⊒ 𝐾 = ( Base β€˜ 𝐹 )
6 elin ⊒ ( π‘Š ∈ ( PreHil ∩ NrmMod ) ↔ ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ) )
7 6 anbi1i ⊒ ( ( π‘Š ∈ ( PreHil ∩ NrmMod ) ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ↔ ( ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ) ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) )
8 df-3an ⊒ ( ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ↔ ( ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ) ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) )
9 7 8 bitr4i ⊒ ( ( π‘Š ∈ ( PreHil ∩ NrmMod ) ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ↔ ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) )
10 9 anbi1i ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ ( PreHil ∩ NrmMod ) ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) ↔ ( ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) )
11 fvexd ⊒ ( 𝑀 = π‘Š β†’ ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ∈ V )
12 fvexd ⊒ ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) β†’ ( Base β€˜ 𝑓 ) ∈ V )
13 simplr ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) )
14 simpll ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ 𝑀 = π‘Š )
15 14 fveq2d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( Scalar β€˜ 𝑀 ) = ( Scalar β€˜ π‘Š ) )
16 15 4 eqtr4di ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( Scalar β€˜ 𝑀 ) = 𝐹 )
17 13 16 eqtrd ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ 𝑓 = 𝐹 )
18 simpr ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) )
19 17 fveq2d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( Base β€˜ 𝑓 ) = ( Base β€˜ 𝐹 ) )
20 19 5 eqtr4di ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( Base β€˜ 𝑓 ) = 𝐾 )
21 18 20 eqtrd ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ π‘˜ = 𝐾 )
22 21 oveq2d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( β„‚fld β†Ύs π‘˜ ) = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) )
23 17 22 eqeq12d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( 𝑓 = ( β„‚fld β†Ύs π‘˜ ) ↔ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) )
24 21 ineq1d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( π‘˜ ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) = ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) )
25 24 imaeq2d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( √ β€œ ( π‘˜ ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) = ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) )
26 25 21 sseq12d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( ( √ β€œ ( π‘˜ ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† π‘˜ ↔ ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ) )
27 14 fveq2d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( norm β€˜ 𝑀 ) = ( norm β€˜ π‘Š ) )
28 27 3 eqtr4di ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( norm β€˜ 𝑀 ) = 𝑁 )
29 14 fveq2d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( Base β€˜ 𝑀 ) = ( Base β€˜ π‘Š ) )
30 29 1 eqtr4di ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( Base β€˜ 𝑀 ) = 𝑉 )
31 14 fveq2d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) = ( ·𝑖 β€˜ π‘Š ) )
32 31 2 eqtr4di ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) = , )
33 32 oveqd ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) π‘₯ ) = ( π‘₯ , π‘₯ ) )
34 33 fveq2d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( √ β€˜ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) π‘₯ ) ) = ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) )
35 30 34 mpteq12dv ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ 𝑀 ) ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) π‘₯ ) ) ) = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) )
36 28 35 eqeq12d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( ( norm β€˜ 𝑀 ) = ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ 𝑀 ) ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) π‘₯ ) ) ) ↔ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) )
37 23 26 36 3anbi123d ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( ( 𝑓 = ( β„‚fld β†Ύs π‘˜ ) ∧ ( √ β€œ ( π‘˜ ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† π‘˜ ∧ ( norm β€˜ 𝑀 ) = ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ 𝑀 ) ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) π‘₯ ) ) ) ) ↔ ( 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ∧ ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) )
38 3anass ⊒ ( ( 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ∧ ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ↔ ( 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) )
39 37 38 bitrdi ⊒ ( ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) ∧ π‘˜ = ( Base β€˜ 𝑓 ) ) β†’ ( ( 𝑓 = ( β„‚fld β†Ύs π‘˜ ) ∧ ( √ β€œ ( π‘˜ ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† π‘˜ ∧ ( norm β€˜ 𝑀 ) = ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ 𝑀 ) ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) π‘₯ ) ) ) ) ↔ ( 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) ) )
40 12 39 sbcied ⊒ ( ( 𝑀 = π‘Š ∧ 𝑓 = ( Scalar β€˜ 𝑀 ) ) β†’ ( [ ( Base β€˜ 𝑓 ) / π‘˜ ] ( 𝑓 = ( β„‚fld β†Ύs π‘˜ ) ∧ ( √ β€œ ( π‘˜ ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† π‘˜ ∧ ( norm β€˜ 𝑀 ) = ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ 𝑀 ) ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) π‘₯ ) ) ) ) ↔ ( 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) ) )
41 11 40 sbcied ⊒ ( 𝑀 = π‘Š β†’ ( [ ( Scalar β€˜ 𝑀 ) / 𝑓 ] [ ( Base β€˜ 𝑓 ) / π‘˜ ] ( 𝑓 = ( β„‚fld β†Ύs π‘˜ ) ∧ ( √ β€œ ( π‘˜ ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† π‘˜ ∧ ( norm β€˜ 𝑀 ) = ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ 𝑀 ) ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) π‘₯ ) ) ) ) ↔ ( 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) ) )
42 df-cph ⊒ β„‚PreHil = { 𝑀 ∈ ( PreHil ∩ NrmMod ) ∣ [ ( Scalar β€˜ 𝑀 ) / 𝑓 ] [ ( Base β€˜ 𝑓 ) / π‘˜ ] ( 𝑓 = ( β„‚fld β†Ύs π‘˜ ) ∧ ( √ β€œ ( π‘˜ ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† π‘˜ ∧ ( norm β€˜ 𝑀 ) = ( π‘₯ ∈ ( Base β€˜ 𝑀 ) ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ ( ·𝑖 β€˜ 𝑀 ) π‘₯ ) ) ) ) }
43 41 42 elrab2 ⊒ ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ↔ ( π‘Š ∈ ( PreHil ∩ NrmMod ) ∧ ( 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) ) )
44 anass ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ ( PreHil ∩ NrmMod ) ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) ↔ ( π‘Š ∈ ( PreHil ∩ NrmMod ) ∧ ( 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) ) )
45 43 44 bitr4i ⊒ ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ↔ ( ( π‘Š ∈ ( PreHil ∩ NrmMod ) ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) )
46 3anass ⊒ ( ( ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ∧ ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ↔ ( ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ∧ ( ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) ) )
47 10 45 46 3bitr4i ⊒ ( π‘Š ∈ β„‚PreHil ↔ ( ( π‘Š ∈ PreHil ∧ π‘Š ∈ NrmMod ∧ 𝐹 = ( β„‚fld β†Ύs 𝐾 ) ) ∧ ( √ β€œ ( 𝐾 ∩ ( 0 [,) +∞ ) ) ) βŠ† 𝐾 ∧ 𝑁 = ( π‘₯ ∈ 𝑉 ↦ ( √ β€˜ ( π‘₯ , π‘₯ ) ) ) ) )