Metamath Proof Explorer


Theorem lclkr

Description: The set of functionals with closed kernels is a subspace. Part of proof of Theorem 3.6 of Holland95 p. 218, line 20, stating "The f_M that arise this way generate a subspace F of E'". Our proof was suggested by Mario Carneiro, 5-Jan-2015. (Contributed by NM, 18-Jan-2015)

Ref Expression
Hypotheses lclkr.h โŠข ๐ป = ( LHyp โ€˜ ๐พ )
lclkr.u โŠข ๐‘ˆ = ( ( DVecH โ€˜ ๐พ ) โ€˜ ๐‘Š )
lclkr.o โŠข โŠฅ = ( ( ocH โ€˜ ๐พ ) โ€˜ ๐‘Š )
lclkr.f โŠข ๐น = ( LFnl โ€˜ ๐‘ˆ )
lclkr.l โŠข ๐ฟ = ( LKer โ€˜ ๐‘ˆ )
lclkr.d โŠข ๐ท = ( LDual โ€˜ ๐‘ˆ )
lclkr.s โŠข ๐‘† = ( LSubSp โ€˜ ๐ท )
lclkr.c โŠข ๐ถ = { ๐‘“ โˆˆ ๐น โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) }
lclkr.k โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐พ โˆˆ HL โˆง ๐‘Š โˆˆ ๐ป ) )
Assertion lclkr ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ ๐‘† )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lclkr.h โŠข ๐ป = ( LHyp โ€˜ ๐พ )
2 lclkr.u โŠข ๐‘ˆ = ( ( DVecH โ€˜ ๐พ ) โ€˜ ๐‘Š )
3 lclkr.o โŠข โŠฅ = ( ( ocH โ€˜ ๐พ ) โ€˜ ๐‘Š )
4 lclkr.f โŠข ๐น = ( LFnl โ€˜ ๐‘ˆ )
5 lclkr.l โŠข ๐ฟ = ( LKer โ€˜ ๐‘ˆ )
6 lclkr.d โŠข ๐ท = ( LDual โ€˜ ๐‘ˆ )
7 lclkr.s โŠข ๐‘† = ( LSubSp โ€˜ ๐ท )
8 lclkr.c โŠข ๐ถ = { ๐‘“ โˆˆ ๐น โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) }
9 lclkr.k โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐พ โˆˆ HL โˆง ๐‘Š โˆˆ ๐ป ) )
10 ssrab2 โŠข { ๐‘“ โˆˆ ๐น โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) } โŠ† ๐น
11 10 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ { ๐‘“ โˆˆ ๐น โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) } โŠ† ๐น )
12 8 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ = { ๐‘“ โˆˆ ๐น โˆฃ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ๐‘“ ) } )
13 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐ท ) = ( Base โ€˜ ๐ท )
14 1 2 9 dvhlmod โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘ˆ โˆˆ LMod )
15 4 6 13 14 ldualvbase โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( Base โ€˜ ๐ท ) = ๐น )
16 11 12 15 3sstr4d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โŠ† ( Base โ€˜ ๐ท ) )
17 eqid โŠข ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) = ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ )
18 eqid โŠข ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) = ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) )
19 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) = ( Base โ€˜ ๐‘ˆ )
20 17 18 19 4 lfl0f โŠข ( ๐‘ˆ โˆˆ LMod โ†’ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) โˆˆ ๐น )
21 14 20 syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) โˆˆ ๐น )
22 1 2 3 19 9 dochoc1 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ) ) = ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
23 eqid โŠข ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) = ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } )
24 17 18 19 4 5 lkr0f โŠข ( ( ๐‘ˆ โˆˆ LMod โˆง ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) โˆˆ ๐น ) โ†’ ( ( ๐ฟ โ€˜ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) = ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) โ†” ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) = ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) )
25 14 20 24 syl2anc2 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( ๐ฟ โ€˜ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) = ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) โ†” ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) = ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) )
26 23 25 mpbiri โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐ฟ โ€˜ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) = ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) )
27 26 fveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) ) = ( โŠฅ โ€˜ ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ) )
28 27 fveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) ) ) = ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ) ) )
29 22 28 26 3eqtr4d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) )
30 8 lcfl1lem โŠข ( ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) โˆˆ ๐ถ โ†” ( ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) โˆˆ ๐น โˆง ( โŠฅ โ€˜ ( โŠฅ โ€˜ ( ๐ฟ โ€˜ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) ) ) = ( ๐ฟ โ€˜ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) ) ) )
31 21 29 30 sylanbrc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ( Base โ€˜ ๐‘ˆ ) ร— { ( 0g โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) } ) โˆˆ ๐ถ )
32 31 ne0d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โ‰  โˆ… )
33 eqid โŠข ( +g โ€˜ ๐ท ) = ( +g โ€˜ ๐ท )
34 9 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ( ๐พ โˆˆ HL โˆง ๐‘Š โˆˆ ๐ป ) )
35 eqid โŠข ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) = ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) )
36 eqid โŠข ( ยท๐‘  โ€˜ ๐ท ) = ( ยท๐‘  โ€˜ ๐ท )
37 simpr1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) )
38 eqid โŠข ( Scalar โ€˜ ๐ท ) = ( Scalar โ€˜ ๐ท )
39 eqid โŠข ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) = ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) )
40 17 35 6 38 39 14 ldualsbase โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) = ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) )
41 40 adantr โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) = ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) )
42 37 41 eleqtrd โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐‘ˆ ) ) )
43 simpr2 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ )
44 1 3 2 4 5 6 17 35 36 8 34 42 43 lclkrlem1 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ( ๐‘ฅ ( ยท๐‘  โ€˜ ๐ท ) ๐‘Ž ) โˆˆ ๐ถ )
45 simpr3 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ ๐ถ )
46 1 3 2 4 5 6 33 8 34 44 45 lclkrlem2 โŠข ( ( ๐œ‘ โˆง ( ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆง ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆง ๐‘ โˆˆ ๐ถ ) ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ ( ยท๐‘  โ€˜ ๐ท ) ๐‘Ž ) ( +g โ€˜ ๐ท ) ๐‘ ) โˆˆ ๐ถ )
47 46 ralrimivvva โŠข ( ๐œ‘ โ†’ โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆ€ ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆ€ ๐‘ โˆˆ ๐ถ ( ( ๐‘ฅ ( ยท๐‘  โ€˜ ๐ท ) ๐‘Ž ) ( +g โ€˜ ๐ท ) ๐‘ ) โˆˆ ๐ถ )
48 38 39 13 33 36 7 islss โŠข ( ๐ถ โˆˆ ๐‘† โ†” ( ๐ถ โŠ† ( Base โ€˜ ๐ท ) โˆง ๐ถ โ‰  โˆ… โˆง โˆ€ ๐‘ฅ โˆˆ ( Base โ€˜ ( Scalar โ€˜ ๐ท ) ) โˆ€ ๐‘Ž โˆˆ ๐ถ โˆ€ ๐‘ โˆˆ ๐ถ ( ( ๐‘ฅ ( ยท๐‘  โ€˜ ๐ท ) ๐‘Ž ) ( +g โ€˜ ๐ท ) ๐‘ ) โˆˆ ๐ถ ) )
49 16 32 47 48 syl3anbrc โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ถ โˆˆ ๐‘† )