Metamath Proof Explorer


Theorem kbpj

Description: If a vector A has norm 1, the outer product | A >. <. A | is the projector onto the subspace spanned by A . http://en.wikipedia.org/wiki/Bra-ket#Linear%5Foperators . (Contributed by NM, 30-May-2006) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Assertion kbpj ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โ†’ ( ๐ด ketbra ๐ด ) = ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 oveq1 โŠข ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 2 ) = ( 1 โ†‘ 2 ) )
2 sq1 โŠข ( 1 โ†‘ 2 ) = 1
3 1 2 eqtrdi โŠข ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 2 ) = 1 )
4 3 oveq2d โŠข ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 โ†’ ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) / ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 2 ) ) = ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) / 1 ) )
5 hicl โŠข ( ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
6 5 ancoms โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
7 6 div1d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) / 1 ) = ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) )
8 4 7 sylan9eqr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) / ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 2 ) ) = ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) )
9 8 an32s โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) / ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 2 ) ) = ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) )
10 9 oveq1d โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) / ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 2 ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) = ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) ยทโ„Ž ๐ด ) )
11 simpll โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‹ )
12 simpr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ )
13 ax-1ne0 โŠข 1 โ‰  0
14 neeq1 โŠข ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 โ†” 1 โ‰  0 ) )
15 13 14 mpbiri โŠข ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 )
16 normne0 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 โ†” ๐ด โ‰  0โ„Ž ) )
17 15 16 imbitrid โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 โ†’ ๐ด โ‰  0โ„Ž ) )
18 17 imp โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โ†’ ๐ด โ‰  0โ„Ž )
19 18 adantr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ๐ด โ‰  0โ„Ž )
20 pjspansn โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) / ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 2 ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) )
21 11 12 19 20 syl3anc โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) / ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ†‘ 2 ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) )
22 kbval โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) ยทโ„Ž ๐ด ) )
23 22 3anidm12 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) ยทโ„Ž ๐ด ) )
24 23 adantlr โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( ๐‘ฅ ยทih ๐ด ) ยทโ„Ž ๐ด ) )
25 10 21 24 3eqtr4rd โŠข ( ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ€˜ ๐‘ฅ ) )
26 25 ralrimiva โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ€˜ ๐‘ฅ ) )
27 kbop โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ๐ด ketbra ๐ด ) : โ„‹ โŸถ โ„‹ )
28 27 anidms โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ๐ด ketbra ๐ด ) : โ„‹ โŸถ โ„‹ )
29 28 ffnd โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ๐ด ketbra ๐ด ) Fn โ„‹ )
30 spansnch โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( span โ€˜ { ๐ด } ) โˆˆ Cโ„‹ )
31 pjfn โŠข ( ( span โ€˜ { ๐ด } ) โˆˆ Cโ„‹ โ†’ ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) Fn โ„‹ )
32 30 31 syl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) Fn โ„‹ )
33 eqfnfv โŠข ( ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) Fn โ„‹ โˆง ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) Fn โ„‹ ) โ†’ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) = ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ†” โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
34 29 32 33 syl2anc โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) = ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ†” โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
35 34 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โ†’ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) = ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ†” โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ( ( ๐ด ketbra ๐ด ) โ€˜ ๐‘ฅ ) = ( ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
36 26 35 mpbird โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = 1 ) โ†’ ( ๐ด ketbra ๐ด ) = ( projโ„Ž โ€˜ ( span โ€˜ { ๐ด } ) ) )