Metamath Proof Explorer


Theorem nmbdoplbi

Description: A lower bound for the norm of a bounded linear operator. (Contributed by NM, 14-Feb-2006) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypothesis nmbdoplb.1 โŠข ๐‘‡ โˆˆ BndLinOp
Assertion nmbdoplbi ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nmbdoplb.1 โŠข ๐‘‡ โˆˆ BndLinOp
2 fveq2 โŠข ( ๐ด = 0โ„Ž โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) )
3 2 fveq2d โŠข ( ๐ด = 0โ„Ž โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) = ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) )
4 fveq2 โŠข ( ๐ด = 0โ„Ž โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) = ( normโ„Ž โ€˜ 0โ„Ž ) )
5 4 oveq2d โŠข ( ๐ด = 0โ„Ž โ†’ ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ 0โ„Ž ) ) )
6 3 5 breq12d โŠข ( ๐ด = 0โ„Ž โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โ†” ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) โ‰ค ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ 0โ„Ž ) ) ) )
7 bdopln โŠข ( ๐‘‡ โˆˆ BndLinOp โ†’ ๐‘‡ โˆˆ LinOp )
8 1 7 ax-mp โŠข ๐‘‡ โˆˆ LinOp
9 8 lnopfi โŠข ๐‘‡ : โ„‹ โŸถ โ„‹
10 9 ffvelrni โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‹ )
11 normcl โŠข ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‹ โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
12 10 11 syl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
13 12 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
14 13 recnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
15 normcl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
16 15 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ )
17 16 recnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‚ )
18 normne0 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 โ†” ๐ด โ‰  0โ„Ž ) )
19 18 biimpar โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โ‰  0 )
20 14 17 19 divrec2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
21 16 19 rereccld โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
22 21 recnd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ )
23 simpl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ๐ด โˆˆ โ„‹ )
24 8 lnopmuli โŠข ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) = ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) )
25 22 23 24 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) = ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) )
26 25 fveq2d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) ) = ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
27 10 adantr โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‹ )
28 norm-iii โŠข ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ( abs โ€˜ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
29 22 27 28 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ( abs โ€˜ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
30 normgt0 โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ๐ด โ‰  0โ„Ž โ†” 0 < ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) )
31 30 biimpa โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ 0 < ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) )
32 16 31 recgt0d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ 0 < ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) )
33 0re โŠข 0 โˆˆ โ„
34 ltle โŠข ( ( 0 โˆˆ โ„ โˆง ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ ) โ†’ ( 0 < ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ 0 โ‰ค ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ) )
35 33 34 mpan โŠข ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โ†’ ( 0 < ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โ†’ 0 โ‰ค ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ) )
36 21 32 35 sylc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ 0 โ‰ค ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) )
37 21 36 absidd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( abs โ€˜ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) )
38 37 oveq1d โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) )
39 26 29 38 3eqtrrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) = ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) ) )
40 20 39 eqtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) = ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) ) )
41 hvmulcl โŠข ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) โˆˆ โ„‹ )
42 22 23 41 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) โˆˆ โ„‹ )
43 normcl โŠข ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) โˆˆ โ„‹ โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
44 42 43 syl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) โˆˆ โ„ )
45 norm1 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) = 1 )
46 eqle โŠข ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) = 1 ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) โ‰ค 1 )
47 44 45 46 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) โ‰ค 1 )
48 nmoplb โŠข ( ( ๐‘‡ : โ„‹ โŸถ โ„‹ โˆง ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) โ‰ค 1 ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) ) โ‰ค ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) )
49 9 48 mp3an1 โŠข ( ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) โˆˆ โ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) โ‰ค 1 ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) ) โ‰ค ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) )
50 42 47 49 syl2anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ยทโ„Ž ๐ด ) ) ) โ‰ค ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) )
51 40 50 eqbrtrd โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) )
52 nmopre โŠข ( ๐‘‡ โˆˆ BndLinOp โ†’ ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„ )
53 1 52 ax-mp โŠข ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„
54 53 a1i โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„ )
55 ledivmul2 โŠข ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„ โˆง ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) โˆˆ โ„ โˆง 0 < ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ) โ†’ ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) โ†” ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ) )
56 13 54 16 31 55 syl112anc โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) / ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) โ†” ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) ) )
57 51 56 mpbid โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) )
58 0le0 โŠข 0 โ‰ค 0
59 8 lnop0i โŠข ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) = 0โ„Ž
60 59 fveq2i โŠข ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) = ( normโ„Ž โ€˜ 0โ„Ž )
61 norm0 โŠข ( normโ„Ž โ€˜ 0โ„Ž ) = 0
62 60 61 eqtri โŠข ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) = 0
63 61 oveq2i โŠข ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ 0โ„Ž ) ) = ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท 0 )
64 53 recni โŠข ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„‚
65 64 mul01i โŠข ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท 0 ) = 0
66 63 65 eqtri โŠข ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ 0โ„Ž ) ) = 0
67 58 62 66 3brtr4i โŠข ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) โ‰ค ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ 0โ„Ž ) )
68 67 a1i โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) โ‰ค ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ 0โ„Ž ) ) )
69 6 57 68 pm2.61ne โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โ‰ค ( ( normop โ€˜ ๐‘‡ ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐ด ) ) )