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Theorem lspsneq

Description: Equal spans of singletons must have proportional vectors. See lspsnss2 for comparable span version. TODO: can proof be shortened? (Contributed by NM, 21-Mar-2015)

Ref Expression
Hypotheses lspsneq.v 𝑉 = ( Base ‘ 𝑊 )
lspsneq.s 𝑆 = ( Scalar ‘ 𝑊 )
lspsneq.k 𝐾 = ( Base ‘ 𝑆 )
lspsneq.o 0 = ( 0g𝑆 )
lspsneq.t · = ( ·𝑠𝑊 )
lspsneq.n 𝑁 = ( LSpan ‘ 𝑊 )
lspsneq.w ( 𝜑𝑊 ∈ LVec )
lspsneq.x ( 𝜑𝑋𝑉 )
lspsneq.y ( 𝜑𝑌𝑉 )
Assertion lspsneq ( 𝜑 → ( ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ↔ ∃ 𝑘 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑘 · 𝑌 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lspsneq.v 𝑉 = ( Base ‘ 𝑊 )
2 lspsneq.s 𝑆 = ( Scalar ‘ 𝑊 )
3 lspsneq.k 𝐾 = ( Base ‘ 𝑆 )
4 lspsneq.o 0 = ( 0g𝑆 )
5 lspsneq.t · = ( ·𝑠𝑊 )
6 lspsneq.n 𝑁 = ( LSpan ‘ 𝑊 )
7 lspsneq.w ( 𝜑𝑊 ∈ LVec )
8 lspsneq.x ( 𝜑𝑋𝑉 )
9 lspsneq.y ( 𝜑𝑌𝑉 )
10 lveclmod ( 𝑊 ∈ LVec → 𝑊 ∈ LMod )
11 7 10 syl ( 𝜑𝑊 ∈ LMod )
12 2 lmodring ( 𝑊 ∈ LMod → 𝑆 ∈ Ring )
13 eqid ( 1r𝑆 ) = ( 1r𝑆 )
14 3 13 ringidcl ( 𝑆 ∈ Ring → ( 1r𝑆 ) ∈ 𝐾 )
15 11 12 14 3syl ( 𝜑 → ( 1r𝑆 ) ∈ 𝐾 )
16 2 lvecdrng ( 𝑊 ∈ LVec → 𝑆 ∈ DivRing )
17 4 13 drngunz ( 𝑆 ∈ DivRing → ( 1r𝑆 ) ≠ 0 )
18 7 16 17 3syl ( 𝜑 → ( 1r𝑆 ) ≠ 0 )
19 eldifsn ( ( 1r𝑆 ) ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) ↔ ( ( 1r𝑆 ) ∈ 𝐾 ∧ ( 1r𝑆 ) ≠ 0 ) )
20 15 18 19 sylanbrc ( 𝜑 → ( 1r𝑆 ) ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) )
21 20 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 = ( 0g𝑊 ) ) → ( 1r𝑆 ) ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) )
22 eqid ( 0g𝑊 ) = ( 0g𝑊 )
23 1 22 lmod0vcl ( 𝑊 ∈ LMod → ( 0g𝑊 ) ∈ 𝑉 )
24 1 2 5 13 lmodvs1 ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ ( 0g𝑊 ) ∈ 𝑉 ) → ( ( 1r𝑆 ) · ( 0g𝑊 ) ) = ( 0g𝑊 ) )
25 11 23 24 syl2anc2 ( 𝜑 → ( ( 1r𝑆 ) · ( 0g𝑊 ) ) = ( 0g𝑊 ) )
26 25 ad2antrr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 = ( 0g𝑊 ) ) → ( ( 1r𝑆 ) · ( 0g𝑊 ) ) = ( 0g𝑊 ) )
27 oveq2 ( 𝑌 = ( 0g𝑊 ) → ( ( 1r𝑆 ) · 𝑌 ) = ( ( 1r𝑆 ) · ( 0g𝑊 ) ) )
28 27 adantl ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 = ( 0g𝑊 ) ) → ( ( 1r𝑆 ) · 𝑌 ) = ( ( 1r𝑆 ) · ( 0g𝑊 ) ) )
29 11 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → 𝑊 ∈ LMod )
30 8 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → 𝑋𝑉 )
31 9 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → 𝑌𝑉 )
32 simpr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) )
33 1 22 6 29 30 31 32 lspsneq0b ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ( 𝑋 = ( 0g𝑊 ) ↔ 𝑌 = ( 0g𝑊 ) ) )
34 33 biimpar ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 = ( 0g𝑊 ) ) → 𝑋 = ( 0g𝑊 ) )
35 26 28 34 3eqtr4rd ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 = ( 0g𝑊 ) ) → 𝑋 = ( ( 1r𝑆 ) · 𝑌 ) )
36 oveq1 ( 𝑗 = ( 1r𝑆 ) → ( 𝑗 · 𝑌 ) = ( ( 1r𝑆 ) · 𝑌 ) )
37 36 rspceeqv ( ( ( 1r𝑆 ) ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) ∧ 𝑋 = ( ( 1r𝑆 ) · 𝑌 ) ) → ∃ 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) )
38 21 35 37 syl2anc ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 = ( 0g𝑊 ) ) → ∃ 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) )
39 eqimss ( ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) → ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) ⊆ ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) )
40 39 adantl ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) ⊆ ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) )
41 eqid ( LSubSp ‘ 𝑊 ) = ( LSubSp ‘ 𝑊 )
42 1 41 6 lspsncl ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑌𝑉 ) → ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ∈ ( LSubSp ‘ 𝑊 ) )
43 11 9 42 syl2anc ( 𝜑 → ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ∈ ( LSubSp ‘ 𝑊 ) )
44 43 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ∈ ( LSubSp ‘ 𝑊 ) )
45 1 41 6 29 44 30 lspsnel5 ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ( 𝑋 ∈ ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ↔ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) ⊆ ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) )
46 40 45 mpbird ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → 𝑋 ∈ ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) )
47 2 3 1 5 6 lspsnel ( ( 𝑊 ∈ LMod ∧ 𝑌𝑉 ) → ( 𝑋 ∈ ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ↔ ∃ 𝑗𝐾 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) )
48 29 31 47 syl2anc ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ( 𝑋 ∈ ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ↔ ∃ 𝑗𝐾 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) )
49 46 48 mpbid ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ∃ 𝑗𝐾 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) )
50 49 adantr ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) → ∃ 𝑗𝐾 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) )
51 simprl ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → 𝑗𝐾 )
52 simpr ( ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) → 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) )
53 52 adantl ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) )
54 33 biimpd ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ( 𝑋 = ( 0g𝑊 ) → 𝑌 = ( 0g𝑊 ) ) )
55 54 necon3d ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ( 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) → 𝑋 ≠ ( 0g𝑊 ) ) )
56 55 imp ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) → 𝑋 ≠ ( 0g𝑊 ) )
57 56 adantr ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → 𝑋 ≠ ( 0g𝑊 ) )
58 53 57 eqnetrrd ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → ( 𝑗 · 𝑌 ) ≠ ( 0g𝑊 ) )
59 7 adantr ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → 𝑊 ∈ LVec )
60 59 ad2antrr ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → 𝑊 ∈ LVec )
61 31 ad2antrr ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → 𝑌𝑉 )
62 1 5 2 3 4 22 60 51 61 lvecvsn0 ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → ( ( 𝑗 · 𝑌 ) ≠ ( 0g𝑊 ) ↔ ( 𝑗0𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ) )
63 58 62 mpbid ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → ( 𝑗0𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) )
64 63 simpld ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → 𝑗0 )
65 eldifsn ( 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) ↔ ( 𝑗𝐾𝑗0 ) )
66 51 64 65 sylanbrc ( ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) ∧ ( 𝑗𝐾𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) ) → 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) )
67 50 66 53 reximssdv ( ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ∧ 𝑌 ≠ ( 0g𝑊 ) ) → ∃ 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) )
68 38 67 pm2.61dane ( ( 𝜑 ∧ ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) → ∃ 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) )
69 68 ex ( 𝜑 → ( ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) → ∃ 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) )
70 7 adantr ( ( 𝜑𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) ) → 𝑊 ∈ LVec )
71 eldifi ( 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) → 𝑗𝐾 )
72 71 adantl ( ( 𝜑𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) ) → 𝑗𝐾 )
73 eldifsni ( 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) → 𝑗0 )
74 73 adantl ( ( 𝜑𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) ) → 𝑗0 )
75 9 adantr ( ( 𝜑𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) ) → 𝑌𝑉 )
76 1 2 5 3 4 6 lspsnvs ( ( 𝑊 ∈ LVec ∧ ( 𝑗𝐾𝑗0 ) ∧ 𝑌𝑉 ) → ( 𝑁 ‘ { ( 𝑗 · 𝑌 ) } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) )
77 70 72 74 75 76 syl121anc ( ( 𝜑𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) ) → ( 𝑁 ‘ { ( 𝑗 · 𝑌 ) } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) )
78 77 ex ( 𝜑 → ( 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) → ( 𝑁 ‘ { ( 𝑗 · 𝑌 ) } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) )
79 sneq ( 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) → { 𝑋 } = { ( 𝑗 · 𝑌 ) } )
80 79 fveqeq2d ( 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) → ( ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ↔ ( 𝑁 ‘ { ( 𝑗 · 𝑌 ) } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) )
81 80 biimprcd ( ( 𝑁 ‘ { ( 𝑗 · 𝑌 ) } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) → ( 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) → ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) )
82 78 81 syl6 ( 𝜑 → ( 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) → ( 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) → ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) ) )
83 82 rexlimdv ( 𝜑 → ( ∃ 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) → ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ) )
84 69 83 impbid ( 𝜑 → ( ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ↔ ∃ 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ) )
85 oveq1 ( 𝑗 = 𝑘 → ( 𝑗 · 𝑌 ) = ( 𝑘 · 𝑌 ) )
86 85 eqeq2d ( 𝑗 = 𝑘 → ( 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ↔ 𝑋 = ( 𝑘 · 𝑌 ) ) )
87 86 cbvrexvw ( ∃ 𝑗 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑗 · 𝑌 ) ↔ ∃ 𝑘 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑘 · 𝑌 ) )
88 84 87 bitrdi ( 𝜑 → ( ( 𝑁 ‘ { 𝑋 } ) = ( 𝑁 ‘ { 𝑌 } ) ↔ ∃ 𝑘 ∈ ( 𝐾 ∖ { 0 } ) 𝑋 = ( 𝑘 · 𝑌 ) ) )