Metamath Proof Explorer


Theorem strlem1

Description: Lemma for strong state theorem: if closed subspace A is not contained in B , there is a unit vector u in their difference. (Contributed by NM, 25-Oct-1999) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses strlem1.1 โŠข ๐ด โˆˆ Cโ„‹
strlem1.2 โŠข ๐ต โˆˆ Cโ„‹
Assertion strlem1 ( ยฌ ๐ด โŠ† ๐ต โ†’ โˆƒ ๐‘ข โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ข ) = 1 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 strlem1.1 โŠข ๐ด โˆˆ Cโ„‹
2 strlem1.2 โŠข ๐ต โˆˆ Cโ„‹
3 neq0 โŠข ( ยฌ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) = โˆ… โ†” โˆƒ ๐‘ฅ ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) )
4 ssdif0 โŠข ( ๐ด โŠ† ๐ต โ†” ( ๐ด โˆ– ๐ต ) = โˆ… )
5 3 4 xchnxbir โŠข ( ยฌ ๐ด โŠ† ๐ต โ†” โˆƒ ๐‘ฅ ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) )
6 eldifi โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ๐ด )
7 1 cheli โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ด โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ )
8 normcl โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„ )
9 6 7 8 3syl โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„ )
10 ch0 โŠข ( ๐ต โˆˆ Cโ„‹ โ†’ 0โ„Ž โˆˆ ๐ต )
11 2 10 ax-mp โŠข 0โ„Ž โˆˆ ๐ต
12 eldifn โŠข ( 0โ„Ž โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ยฌ 0โ„Ž โˆˆ ๐ต )
13 11 12 mt2 โŠข ยฌ 0โ„Ž โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต )
14 eleq1 โŠข ( ๐‘ฅ = 0โ„Ž โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†” 0โ„Ž โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) ) )
15 13 14 mtbiri โŠข ( ๐‘ฅ = 0โ„Ž โ†’ ยฌ ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) )
16 15 con2i โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ยฌ ๐‘ฅ = 0โ„Ž )
17 norm-i โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) = 0 โ†” ๐‘ฅ = 0โ„Ž ) )
18 6 7 17 3syl โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) = 0 โ†” ๐‘ฅ = 0โ„Ž ) )
19 16 18 mtbird โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ยฌ ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) = 0 )
20 19 neqned โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โ‰  0 )
21 9 20 rereccld โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„ )
22 21 recnd โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ )
23 1 chshii โŠข ๐ด โˆˆ Sโ„‹
24 shmulcl โŠข ( ( ๐ด โˆˆ Sโ„‹ โˆง ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐ด ) โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ด )
25 23 24 mp3an1 โŠข ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ๐ด ) โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ด )
26 25 ex โŠข ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ด โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ด ) )
27 22 26 syl โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ด โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ด ) )
28 9 recnd โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ )
29 2 chshii โŠข ๐ต โˆˆ Sโ„‹
30 shmulcl โŠข ( ( ๐ต โˆˆ Sโ„‹ โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยทโ„Ž ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) โˆˆ ๐ต )
31 29 30 mp3an1 โŠข ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยทโ„Ž ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) โˆˆ ๐ต )
32 31 ex โŠข ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ โ†’ ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ต โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยทโ„Ž ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) โˆˆ ๐ต ) )
33 28 32 syl โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ต โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยทโ„Ž ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) โˆˆ ๐ต ) )
34 28 20 recidd โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) = 1 )
35 34 oveq1d โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) = ( 1 ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) )
36 6 7 syl โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ )
37 ax-hvmulass โŠข ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) = ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยทโ„Ž ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) )
38 28 22 36 37 syl3anc โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) = ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยทโ„Ž ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) )
39 ax-hvmulid โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โ†’ ( 1 ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) = ๐‘ฅ )
40 6 7 39 3syl โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( 1 ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) = ๐‘ฅ )
41 35 38 40 3eqtr3d โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยทโ„Ž ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) = ๐‘ฅ )
42 41 eleq1d โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ยทโ„Ž ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) โˆˆ ๐ต โ†” ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต ) )
43 33 42 sylibd โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ต โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต ) )
44 43 con3d โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ยฌ ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต โ†’ ยฌ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ต ) )
45 27 44 anim12d โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ด โˆง ยฌ ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต ) โ†’ ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ด โˆง ยฌ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ต ) ) )
46 eldif โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†” ( ๐‘ฅ โˆˆ ๐ด โˆง ยฌ ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต ) )
47 eldif โŠข ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†” ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ด โˆง ยฌ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ๐ต ) )
48 45 46 47 3imtr4g โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) ) )
49 48 pm2.43i โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) )
50 norm-iii โŠข ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) = ( ( abs โ€˜ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
51 22 36 50 syl2anc โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) = ( ( abs โ€˜ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
52 15 necon2ai โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ๐‘ฅ โ‰  0โ„Ž )
53 normgt0 โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ๐‘ฅ โ‰  0โ„Ž โ†” 0 < ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
54 6 7 53 3syl โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ๐‘ฅ โ‰  0โ„Ž โ†” 0 < ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
55 52 54 mpbid โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ 0 < ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) )
56 1re โŠข 1 โˆˆ โ„
57 0le1 โŠข 0 โ‰ค 1
58 divge0 โŠข ( ( ( 1 โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค 1 ) โˆง ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„ โˆง 0 < ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) โ†’ 0 โ‰ค ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
59 56 57 58 mpanl12 โŠข ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„ โˆง 0 < ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โ†’ 0 โ‰ค ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
60 9 55 59 syl2anc โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ 0 โ‰ค ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
61 21 60 absidd โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( abs โ€˜ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) = ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
62 61 oveq1d โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) = ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
63 28 20 recid2d โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยท ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) = 1 )
64 51 62 63 3eqtrd โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) = 1 )
65 fveqeq2 โŠข ( ๐‘ข = ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ข ) = 1 โ†” ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) = 1 ) )
66 65 rspcev โŠข ( ( ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โˆง ( normโ„Ž โ€˜ ( ( 1 / ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) = 1 ) โ†’ โˆƒ ๐‘ข โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ข ) = 1 )
67 49 64 66 syl2anc โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ โˆƒ ๐‘ข โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ข ) = 1 )
68 67 exlimiv โŠข ( โˆƒ ๐‘ฅ ๐‘ฅ โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) โ†’ โˆƒ ๐‘ข โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ข ) = 1 )
69 5 68 sylbi โŠข ( ยฌ ๐ด โŠ† ๐ต โ†’ โˆƒ ๐‘ข โˆˆ ( ๐ด โˆ– ๐ต ) ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ข ) = 1 )