Metamath Proof Explorer


Theorem pmatcollpw3fi

Description: Write a polynomial matrix (over a commutative ring) as a finite sum of products of variable powers and constant matrices with scalar entries. (Contributed by AV, 4-Nov-2019) (Revised by AV, 4-Dec-2019) (Proof shortened by AV, 8-Dec-2019)

Ref Expression
Hypotheses pmatcollpw.p โŠข ๐‘ƒ = ( Poly1 โ€˜ ๐‘… )
pmatcollpw.c โŠข ๐ถ = ( ๐‘ Mat ๐‘ƒ )
pmatcollpw.b โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐ถ )
pmatcollpw.m โŠข โˆ— = ( ยท๐‘  โ€˜ ๐ถ )
pmatcollpw.e โŠข โ†‘ = ( .g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ ๐‘ƒ ) )
pmatcollpw.x โŠข ๐‘‹ = ( var1 โ€˜ ๐‘… )
pmatcollpw.t โŠข ๐‘‡ = ( ๐‘ matToPolyMat ๐‘… )
pmatcollpw3.a โŠข ๐ด = ( ๐‘ Mat ๐‘… )
pmatcollpw3.d โŠข ๐ท = ( Base โ€˜ ๐ด )
Assertion pmatcollpw3fi ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ CRing โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ โˆƒ ๐‘  โˆˆ โ„•0 โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐ท โ†‘m ( 0 ... ๐‘  ) ) ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘  ) โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) โˆ— ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) ) ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 pmatcollpw.p โŠข ๐‘ƒ = ( Poly1 โ€˜ ๐‘… )
2 pmatcollpw.c โŠข ๐ถ = ( ๐‘ Mat ๐‘ƒ )
3 pmatcollpw.b โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐ถ )
4 pmatcollpw.m โŠข โˆ— = ( ยท๐‘  โ€˜ ๐ถ )
5 pmatcollpw.e โŠข โ†‘ = ( .g โ€˜ ( mulGrp โ€˜ ๐‘ƒ ) )
6 pmatcollpw.x โŠข ๐‘‹ = ( var1 โ€˜ ๐‘… )
7 pmatcollpw.t โŠข ๐‘‡ = ( ๐‘ matToPolyMat ๐‘… )
8 pmatcollpw3.a โŠข ๐ด = ( ๐‘ Mat ๐‘… )
9 pmatcollpw3.d โŠข ๐ท = ( Base โ€˜ ๐ด )
10 1 2 3 4 5 6 7 pmatcollpwfi โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ CRing โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ โˆƒ ๐‘  โˆˆ โ„•0 ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘  ) โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) โˆ— ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ) ) ) ) )
11 elnn0uz โŠข ( ๐‘  โˆˆ โ„•0 โ†” ๐‘  โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 0 ) )
12 fzn0 โŠข ( ( 0 ... ๐‘  ) โ‰  โˆ… โ†” ๐‘  โˆˆ ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 0 ) )
13 11 12 sylbb2 โŠข ( ๐‘  โˆˆ โ„•0 โ†’ ( 0 ... ๐‘  ) โ‰  โˆ… )
14 fz0ssnn0 โŠข ( 0 ... ๐‘  ) โІ โ„•0
15 13 14 jctil โŠข ( ๐‘  โˆˆ โ„•0 โ†’ ( ( 0 ... ๐‘  ) โІ โ„•0 โˆง ( 0 ... ๐‘  ) โ‰  โˆ… ) )
16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 pmatcollpw3lem โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ CRing โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ( ( 0 ... ๐‘  ) โІ โ„•0 โˆง ( 0 ... ๐‘  ) โ‰  โˆ… ) ) โ†’ ( ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘  ) โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) โˆ— ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ) ) ) ) โ†’ โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐ท โ†‘m ( 0 ... ๐‘  ) ) ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘  ) โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) โˆ— ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) ) ) ) ) ) )
17 15 16 sylan2 โŠข ( ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ CRing โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โˆง ๐‘  โˆˆ โ„•0 ) โ†’ ( ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘  ) โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) โˆ— ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ) ) ) ) โ†’ โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐ท โ†‘m ( 0 ... ๐‘  ) ) ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘  ) โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) โˆ— ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) ) ) ) ) ) )
18 17 reximdva โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ CRing โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( โˆƒ ๐‘  โˆˆ โ„•0 ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘  ) โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) โˆ— ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘€ decompPMat ๐‘› ) ) ) ) ) โ†’ โˆƒ ๐‘  โˆˆ โ„•0 โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐ท โ†‘m ( 0 ... ๐‘  ) ) ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘  ) โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) โˆ— ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) ) ) ) ) ) )
19 10 18 mpd โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ Fin โˆง ๐‘… โˆˆ CRing โˆง ๐‘€ โˆˆ ๐ต ) โ†’ โˆƒ ๐‘  โˆˆ โ„•0 โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐ท โ†‘m ( 0 ... ๐‘  ) ) ๐‘€ = ( ๐ถ ฮฃg ( ๐‘› โˆˆ ( 0 ... ๐‘  ) โ†ฆ ( ( ๐‘› โ†‘ ๐‘‹ ) โˆ— ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) ) ) ) ) )