Metamath Proof Explorer


Theorem lcfr

Description: Reconstruction of a subspace from a dual subspace of functionals with closed kernels. Our proof was suggested by Mario Carneiro, 20-Feb-2015. (Contributed by NM, 5-Mar-2015)

Ref Expression
Hypotheses lcfr.h โŠข ๐ป = ( LHyp โ€˜ ๐พ )
lcfr.o โŠข โŠฅ = ( ( ocH โ€˜ ๐พ ) โ€˜ ๐‘Š )
lcfr.u โŠข ๐‘ˆ = ( ( DVecH โ€˜ ๐พ ) โ€˜ ๐‘Š )
lcfr.s โŠข ๐‘† = ( LSubSp โ€˜ ๐‘ˆ )
lcfr.f โŠข ๐น = ( LFnl โ€˜ ๐‘ˆ )
lcfr.l โŠข ๐ฟ = ( LKer โ€˜ ๐‘ˆ )
lcfr.d โŠข ๐ท = ( LDual โ€˜ ๐‘ˆ )
lcfr.t โŠข ๐‘‡ = ( LSubSp โ€˜ ๐ท )
lcfr.c โŠข ๐ถ = { ๐‘“ โˆˆ ๐น โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) }
lcfr.q โŠข ๐‘„ = โˆช ๐‘” โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘” ) )
lcfr.k โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐พ โˆˆ HL โˆง ๐‘Š โˆˆ ๐ป ) )
lcfr.r โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… โˆˆ ๐‘‡ )
lcfr.rs โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… โŠ† ๐ถ )
Assertion lcfr ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘„ โˆˆ ๐‘† )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lcfr.h โŠข ๐ป = ( LHyp โ€˜ ๐พ )
2 lcfr.o โŠข โŠฅ = ( ( ocH โ€˜ ๐พ ) โ€˜ ๐‘Š )
3 lcfr.u โŠข ๐‘ˆ = ( ( DVecH โ€˜ ๐พ ) โ€˜ ๐‘Š )
4 lcfr.s โŠข ๐‘† = ( LSubSp โ€˜ ๐‘ˆ )
5 lcfr.f โŠข ๐น = ( LFnl โ€˜ ๐‘ˆ )
6 lcfr.l โŠข ๐ฟ = ( LKer โ€˜ ๐‘ˆ )
7 lcfr.d โŠข ๐ท = ( LDual โ€˜ ๐‘ˆ )
8 lcfr.t โŠข ๐‘‡ = ( LSubSp โ€˜ ๐ท )
9 lcfr.c โŠข ๐ถ = { ๐‘“ โˆˆ ๐น โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) }
10 lcfr.q โŠข ๐‘„ = โˆช ๐‘” โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘” ) )
11 lcfr.k โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐พ โˆˆ HL โˆง ๐‘Š โˆˆ ๐ป ) )
12 lcfr.r โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… โˆˆ ๐‘‡ )
13 lcfr.rs โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… โŠ† ๐ถ )
14 2fveq3 โŠข ( ๐‘” = โ„Ž โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘” ) ) = ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) )
15 14 cbviunv โŠข โˆช ๐‘” โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘” ) ) = โˆช โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) )
16 10 15 eqtri โŠข ๐‘„ = โˆช โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) )
17 11 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง โ„Ž โˆˆ ๐‘… ) โ†’ ( ๐พ โˆˆ HL โˆง ๐‘Š โˆˆ ๐ป ) )
18 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) = ( Base โ€˜ ๐‘ˆ )
19 1 3 11 dvhlmod โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ˆ โˆˆ LMod )
20 19 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง โ„Ž โˆˆ ๐‘… ) โ†’ ๐‘ˆ โˆˆ LMod )
21 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐ท ) = ( Base โ€˜ ๐ท )
22 21 8 lssss โŠข ( ๐‘… โˆˆ ๐‘‡ โ†’ ๐‘… โŠ† ( Base โ€˜ ๐ท ) )
23 12 22 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… โŠ† ( Base โ€˜ ๐ท ) )
24 5 7 21 19 ldualvbase โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( Base โ€˜ ๐ท ) = ๐น )
25 23 24 sseqtrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘… โŠ† ๐น )
26 25 sselda โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง โ„Ž โˆˆ ๐‘… ) โ†’ โ„Ž โˆˆ ๐น )
27 18 5 6 20 26 lkrssv โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง โ„Ž โˆˆ ๐‘… ) โ†’ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
28 1 3 18 2 dochssv โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ HL โˆง ๐‘Š โˆˆ ๐ป ) โˆง ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
29 17 27 28 syl2anc โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง โ„Ž โˆˆ ๐‘… ) โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
30 29 ralrimiva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
31 iunss โŠข ( โˆช โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) โ†” โˆ€ โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
32 30 31 sylibr โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆช โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
33 16 32 eqsstrid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘„ โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
34 16 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘„ = โˆช โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) )
35 7 19 lduallmod โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ท โˆˆ LMod )
36 eqid โŠข ( 0g โ€˜ ๐ท ) = ( 0g โ€˜ ๐ท )
37 36 8 lss0cl โŠข ( ( ๐ท โˆˆ LMod โˆง ๐‘… โˆˆ ๐‘‡ ) โ†’ ( 0g โ€˜ ๐ท ) โˆˆ ๐‘… )
38 35 12 37 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0g โ€˜ ๐ท ) โˆˆ ๐‘… )
39 5 7 36 19 ldual0vcl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0g โ€˜ ๐ท ) โˆˆ ๐น )
40 18 5 6 19 39 lkrssv โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
41 1 3 18 4 2 dochlss โŠข ( ( ( ๐พ โˆˆ HL โˆง ๐‘Š โˆˆ ๐ป ) โˆง ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) ) โˆˆ ๐‘† )
42 11 40 41 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) ) โˆˆ ๐‘† )
43 eqid โŠข ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) = ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ )
44 43 4 lss0cl โŠข ( ( ๐‘ˆ โˆˆ LMod โˆง ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) ) โˆˆ ๐‘† ) โ†’ ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) ) )
45 19 42 44 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) ) )
46 2fveq3 โŠข ( โ„Ž = ( 0g โ€˜ ๐ท ) โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) = ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) ) )
47 46 eleq2d โŠข ( โ„Ž = ( 0g โ€˜ ๐ท ) โ†’ ( ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) โ†” ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) ) ) )
48 47 rspcev โŠข ( ( ( 0g โ€˜ ๐ท ) โˆˆ ๐‘… โˆง ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( 0g โ€˜ ๐ท ) ) ) ) โ†’ โˆƒ โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) )
49 38 45 48 syl2anc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆƒ โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) )
50 eliun โŠข ( ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ โˆช โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) โ†” โˆƒ โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) )
51 49 50 sylibr โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( 0g โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆˆ โˆช โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) )
52 51 ne0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆช โ„Ž โˆˆ ๐‘… ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ โ„Ž ) ) โ‰  โˆ… )
53 34 52 eqnetrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘„ โ‰  โˆ… )
54 eqid โŠข ( +g โ€˜ ๐‘ˆ ) = ( +g โ€˜ ๐‘ˆ )
55 rabeq โŠข ( ๐น = ( LFnl โ€˜ ๐‘ˆ ) โ†’ { ๐‘“ โˆˆ ๐น โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) } = { ๐‘“ โˆˆ ( LFnl โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) } )
56 5 55 ax-mp โŠข { ๐‘“ โˆˆ ๐น โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) } = { ๐‘“ โˆˆ ( LFnl โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) }
57 9 56 eqtri โŠข ๐ถ = { ๐‘“ โˆˆ ( LFnl โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) }
58 11 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ) ) โ†’ ( ๐พ โˆˆ HL โˆง ๐‘Š โˆˆ ๐ป ) )
59 12 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ) ) โ†’ ๐‘… โˆˆ ๐‘‡ )
60 13 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ) ) โ†’ ๐‘… โŠ† ๐ถ )
61 simpr2 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ) ) โ†’ ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ )
62 eqid โŠข ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) = ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ )
63 eqid โŠข ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) = ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) )
64 eqid โŠข ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘ˆ ) = ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘ˆ )
65 simpr1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) )
66 1 2 3 18 5 6 7 8 58 59 16 61 62 63 64 65 lcfrlem5 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘ˆ ) ๐‘Ž ) โˆˆ ๐‘„ )
67 simpr3 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ ๐‘„ )
68 1 2 3 54 5 6 7 8 57 16 58 59 60 66 67 lcfrlem42 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘ˆ ) ๐‘Ž ) ( +g โ€˜ ๐‘ˆ ) ๐‘ ) โˆˆ ๐‘„ )
69 68 ralrimivvva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆ€ ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆ€ ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ( ( ๐‘ฅ ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘ˆ ) ๐‘Ž ) ( +g โ€˜ ๐‘ˆ ) ๐‘ ) โˆˆ ๐‘„ )
70 62 63 18 54 64 4 islss โŠข ( ๐‘„ โˆˆ ๐‘† โ†” ( ๐‘„ โŠ† ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) โˆง ๐‘„ โ‰  โˆ… โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) โˆ€ ๐‘Ž โˆˆ ๐‘„ โˆ€ ๐‘ โˆˆ ๐‘„ ( ( ๐‘ฅ ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘ˆ ) ๐‘Ž ) ( +g โ€˜ ๐‘ˆ ) ๐‘ ) โˆˆ ๐‘„ ) )
71 33 53 69 70 syl3anbrc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘„ โˆˆ ๐‘† )