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Theorem lsmcl

Description: The sum of two subspaces is a subspace. (Contributed by NM, 4-Feb-2014) (Revised by Mario Carneiro, 19-Apr-2016)

Ref Expression
Hypotheses lsmcl.s 𝑆 = ( LSubSp ‘ 𝑊 )
lsmcl.p = ( LSSum ‘ 𝑊 )
Assertion lsmcl ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) → ( 𝑇 𝑈 ) ∈ 𝑆 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lsmcl.s 𝑆 = ( LSubSp ‘ 𝑊 )
2 lsmcl.p = ( LSSum ‘ 𝑊 )
3 lmodabl ( 𝑊 ∈ LMod → 𝑊 ∈ Abel )
4 3 3ad2ant1 ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) → 𝑊 ∈ Abel )
5 1 lsssubg ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆 ) → 𝑇 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) )
6 5 3adant3 ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) → 𝑇 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) )
7 1 lsssubg ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑈𝑆 ) → 𝑈 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) )
8 7 3adant2 ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) → 𝑈 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) )
9 2 lsmsubg2 ( ( 𝑊 ∈ Abel ∧ 𝑇 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) ∧ 𝑈 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) ) → ( 𝑇 𝑈 ) ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) )
10 4 6 8 9 syl3anc ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) → ( 𝑇 𝑈 ) ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) )
11 eqid ( +g𝑊 ) = ( +g𝑊 )
12 11 2 lsmelval ( ( 𝑇 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) ∧ 𝑈 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) ) → ( 𝑢 ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ↔ ∃ 𝑑𝑇𝑒𝑈 𝑢 = ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) ) )
13 6 8 12 syl2anc ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) → ( 𝑢 ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ↔ ∃ 𝑑𝑇𝑒𝑈 𝑢 = ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) ) )
14 13 adantr ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) → ( 𝑢 ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ↔ ∃ 𝑑𝑇𝑒𝑈 𝑢 = ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) ) )
15 simpll1 ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑊 ∈ LMod )
16 simplr ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) )
17 simpll2 ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑇𝑆 )
18 simprl ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑑𝑇 )
19 eqid ( Base ‘ 𝑊 ) = ( Base ‘ 𝑊 )
20 19 1 lssel ( ( 𝑇𝑆𝑑𝑇 ) → 𝑑 ∈ ( Base ‘ 𝑊 ) )
21 17 18 20 syl2anc ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑑 ∈ ( Base ‘ 𝑊 ) )
22 simpll3 ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑈𝑆 )
23 simprr ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑒𝑈 )
24 19 1 lssel ( ( 𝑈𝑆𝑒𝑈 ) → 𝑒 ∈ ( Base ‘ 𝑊 ) )
25 22 23 24 syl2anc ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑒 ∈ ( Base ‘ 𝑊 ) )
26 eqid ( Scalar ‘ 𝑊 ) = ( Scalar ‘ 𝑊 )
27 eqid ( ·𝑠𝑊 ) = ( ·𝑠𝑊 )
28 eqid ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) = ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) )
29 19 11 26 27 28 lmodvsdi ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ ( 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ∧ 𝑑 ∈ ( Base ‘ 𝑊 ) ∧ 𝑒 ∈ ( Base ‘ 𝑊 ) ) ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) ) = ( ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑑 ) ( +g𝑊 ) ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑒 ) ) )
30 15 16 21 25 29 syl13anc ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) ) = ( ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑑 ) ( +g𝑊 ) ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑒 ) ) )
31 15 17 5 syl2anc ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑇 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) )
32 15 22 7 syl2anc ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → 𝑈 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) )
33 26 27 28 1 lssvscl ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆 ) ∧ ( 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ∧ 𝑑𝑇 ) ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑑 ) ∈ 𝑇 )
34 15 17 16 18 33 syl22anc ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑑 ) ∈ 𝑇 )
35 26 27 28 1 lssvscl ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑈𝑆 ) ∧ ( 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ∧ 𝑒𝑈 ) ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑒 ) ∈ 𝑈 )
36 15 22 16 23 35 syl22anc ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑒 ) ∈ 𝑈 )
37 11 2 lsmelvali ( ( ( 𝑇 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) ∧ 𝑈 ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) ) ∧ ( ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑑 ) ∈ 𝑇 ∧ ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑒 ) ∈ 𝑈 ) ) → ( ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑑 ) ( +g𝑊 ) ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑒 ) ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) )
38 31 32 34 36 37 syl22anc ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → ( ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑑 ) ( +g𝑊 ) ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑒 ) ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) )
39 30 38 eqeltrd ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) )
40 oveq2 ( 𝑢 = ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑢 ) = ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) ) )
41 40 eleq1d ( 𝑢 = ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) → ( ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑢 ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ↔ ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ) )
42 39 41 syl5ibrcom ( ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) ∧ ( 𝑑𝑇𝑒𝑈 ) ) → ( 𝑢 = ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑢 ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ) )
43 42 rexlimdvva ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) → ( ∃ 𝑑𝑇𝑒𝑈 𝑢 = ( 𝑑 ( +g𝑊 ) 𝑒 ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑢 ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ) )
44 14 43 sylbid ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ) → ( 𝑢 ∈ ( 𝑇 𝑈 ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑢 ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ) )
45 44 impr ( ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) ∧ ( 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ∧ 𝑢 ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ) ) → ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑢 ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) )
46 45 ralrimivva ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) → ∀ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑢 ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) )
47 26 28 19 27 1 islss4 ( 𝑊 ∈ LMod → ( ( 𝑇 𝑈 ) ∈ 𝑆 ↔ ( ( 𝑇 𝑈 ) ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) ∧ ∀ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑢 ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ) ) )
48 47 3ad2ant1 ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) → ( ( 𝑇 𝑈 ) ∈ 𝑆 ↔ ( ( 𝑇 𝑈 ) ∈ ( SubGrp ‘ 𝑊 ) ∧ ∀ 𝑎 ∈ ( Base ‘ ( Scalar ‘ 𝑊 ) ) ∀ 𝑢 ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ( 𝑎 ( ·𝑠𝑊 ) 𝑢 ) ∈ ( 𝑇 𝑈 ) ) ) )
49 10 46 48 mpbir2and ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑇𝑆𝑈𝑆 ) → ( 𝑇 𝑈 ) ∈ 𝑆 )