Metamath Proof Explorer


Theorem pmatcollpw2

Description: Write a polynomial matrix as a sum of matrices whose entries are products of variable powers and constant polynomials collecting like powers. (Contributed by AV, 3-Oct-2019) (Revised by AV, 3-Dec-2019)

Ref Expression
Hypotheses pmatcollpw1.p โŠข ๐‘ƒ = ( Poly1 โ€˜ ๐‘… )
pmatcollpw1.c โŠข ๐ถ = ( ๐‘ Mat ๐‘ƒ )
pmatcollpw1.b โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐ถ )
pmatcollpw1.m โŠข ร— = ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘ƒ )
pmatcollpw1.e โŠข โ†‘ = ( .g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ ๐‘ƒ ) )
pmatcollpw1.x โŠข ๐‘‹ = ( var1 โ€˜ ๐‘… )
Assertion pmatcollpw2 ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐‘– โˆˆ ๐‘ , ๐‘— โˆˆ ๐‘ โ†ฆ ( ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) ร— ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) ) ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 pmatcollpw1.p โŠข ๐‘ƒ = ( Poly1 โ€˜ ๐‘… )
2 pmatcollpw1.c โŠข ๐ถ = ( ๐‘ Mat ๐‘ƒ )
3 pmatcollpw1.b โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐ถ )
4 pmatcollpw1.m โŠข ร— = ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘ƒ )
5 pmatcollpw1.e โŠข โ†‘ = ( .g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ ๐‘ƒ ) )
6 pmatcollpw1.x โŠข ๐‘‹ = ( var1 โ€˜ ๐‘… )
7 1 2 3 4 5 6 pmatcollpw1 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐‘€ = ( ๐‘– โˆˆ ๐‘ , ๐‘— โˆˆ ๐‘ โ†ฆ ( ๐‘ƒ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) ร— ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) ) ) ) ) )
8 eqid โŠข ( 0g โ€˜ ๐ถ ) = ( 0g โ€˜ ๐ถ )
9 simp1 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐‘ โˆˆ Fin )
10 nn0ex โŠข โ„•0 โˆˆ V
11 10 a1i โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ โ„•0 โˆˆ V )
12 1 ply1ring โŠข ( ๐‘… โˆˆ Ring โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ Ring )
13 12 3ad2ant2 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ Ring )
14 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐‘ƒ ) = ( Base โ€˜ ๐‘ƒ )
15 9 adantr โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘ โˆˆ Fin )
16 13 adantr โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘ƒ โˆˆ Ring )
17 simp1l2 โŠข ( ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘– โˆˆ ๐‘ โˆง ๐‘— โˆˆ ๐‘ ) โ†’ ๐‘… โˆˆ Ring )
18 eqid โŠข ( ๐‘ Mat ๐‘… ) = ( ๐‘ Mat ๐‘… )
19 eqid โŠข ( Base โ€˜ ๐‘… ) = ( Base โ€˜ ๐‘… )
20 eqid โŠข ( Base โ€˜ ( ๐‘ Mat ๐‘… ) ) = ( Base โ€˜ ( ๐‘ Mat ๐‘… ) )
21 simp2 โŠข ( ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘– โˆˆ ๐‘ โˆง ๐‘— โˆˆ ๐‘ ) โ†’ ๐‘– โˆˆ ๐‘ )
22 simp3 โŠข ( ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘– โˆˆ ๐‘ โˆง ๐‘— โˆˆ ๐‘ ) โ†’ ๐‘— โˆˆ ๐‘ )
23 simp2 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐‘… โˆˆ Ring )
24 23 adantr โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘… โˆˆ Ring )
25 simp3 โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐‘€ โˆˆ ๐ต )
26 25 adantr โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘€ โˆˆ ๐ต )
27 simpr โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„•0 )
28 24 26 27 3jca โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) )
29 28 3ad2ant1 โŠข ( ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘– โˆˆ ๐‘ โˆง ๐‘— โˆˆ ๐‘ ) โ†’ ( ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) )
30 1 2 3 18 20 decpmatcl โŠข ( ( ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘ Mat ๐‘… ) ) )
31 29 30 syl โŠข ( ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘– โˆˆ ๐‘ โˆง ๐‘— โˆˆ ๐‘ ) โ†’ ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘ Mat ๐‘… ) ) )
32 18 19 20 21 22 31 matecld โŠข ( ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘– โˆˆ ๐‘ โˆง ๐‘— โˆˆ ๐‘ ) โ†’ ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐‘… ) )
33 simp1r โŠข ( ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘– โˆˆ ๐‘ โˆง ๐‘— โˆˆ ๐‘ ) โ†’ ๐‘› โˆˆ โ„•0 )
34 eqid โŠข ( mulGrp โ€˜ ๐‘ƒ ) = ( mulGrp โ€˜ ๐‘ƒ )
35 19 1 6 4 34 5 14 ply1tmcl โŠข ( ( ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐‘… ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) ร— ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐‘ƒ ) )
36 17 32 33 35 syl3anc โŠข ( ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โˆง ๐‘– โˆˆ ๐‘ โˆง ๐‘— โˆˆ ๐‘ ) โ†’ ( ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) ร— ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) ) โˆˆ ( Base โ€˜ ๐‘ƒ ) )
37 2 14 3 15 16 36 matbas2d โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘– โˆˆ ๐‘ , ๐‘— โˆˆ ๐‘ โ†ฆ ( ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) ร— ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) ) ) โˆˆ ๐ต )
38 1 2 3 4 5 6 pmatcollpw2lem โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐‘– โˆˆ ๐‘ , ๐‘— โˆˆ ๐‘ โ†ฆ ( ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) ร— ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) ) ) ) finSupp ( 0g โ€˜ ๐ถ ) )
39 2 3 8 9 11 13 37 38 matgsum โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐‘– โˆˆ ๐‘ , ๐‘— โˆˆ ๐‘ โ†ฆ ( ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) ร— ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) ) ) ) ) = ( ๐‘– โˆˆ ๐‘ , ๐‘— โˆˆ ๐‘ โ†ฆ ( ๐‘ƒ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) ร— ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) ) ) ) ) )
40 7 39 eqtr4d โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ Ring โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( ๐‘– โˆˆ ๐‘ , ๐‘— โˆˆ ๐‘ โ†ฆ ( ( ๐‘– ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ๐‘— ) ร— ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) ) ) ) ) )