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Theorem blocni

Description: A linear operator is continuous iff it is bounded. Theorem 2.7-9(a) of Kreyszig p. 97. (Contributed by NM, 18-Dec-2007) (Revised by Mario Carneiro, 10-Jan-2014) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses blocni.8 ⊢ C = IndMet ⁡ U
blocni.d ⊢ D = IndMet ⁡ W
blocni.j ⊢ J = MetOpen ⁡ C
blocni.k ⊢ K = MetOpen ⁡ D
blocni.4 ⊢ L = U LnOp W
blocni.5 ⊢ B = U BLnOp W
blocni.u ⊢ U ∈ NrmCVec
blocni.w ⊢ W ∈ NrmCVec
blocni.l ⊢ T ∈ L
Assertion blocni ⊢ T ∈ J Cn K ↔ T ∈ B

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 blocni.8 ⊢ C = IndMet ⁡ U
2 blocni.d ⊢ D = IndMet ⁡ W
3 blocni.j ⊢ J = MetOpen ⁡ C
4 blocni.k ⊢ K = MetOpen ⁡ D
5 blocni.4 ⊢ L = U LnOp W
6 blocni.5 ⊢ B = U BLnOp W
7 blocni.u ⊢ U ∈ NrmCVec
8 blocni.w ⊢ W ∈ NrmCVec
9 blocni.l ⊢ T ∈ L
10 eqid ⊢ BaseSet ⁡ U = BaseSet ⁡ U
11 eqid ⊢ 0 vec ⁡ U = 0 vec ⁡ U
12 10 11 nvzcl ⊢ U ∈ NrmCVec → 0 vec ⁡ U ∈ BaseSet ⁡ U
13 7 12 ax-mp ⊢ 0 vec ⁡ U ∈ BaseSet ⁡ U
14 10 1 imsmet ⊢ U ∈ NrmCVec → C ∈ Met ⁡ BaseSet ⁡ U
15 7 14 ax-mp ⊢ C ∈ Met ⁡ BaseSet ⁡ U
16 metxmet ⊢ C ∈ Met ⁡ BaseSet ⁡ U → C ∈ ∞Met ⁡ BaseSet ⁡ U
17 15 16 ax-mp ⊢ C ∈ ∞Met ⁡ BaseSet ⁡ U
18 3 mopntopon ⊢ C ∈ ∞Met ⁡ BaseSet ⁡ U → J ∈ TopOn ⁡ BaseSet ⁡ U
19 17 18 ax-mp ⊢ J ∈ TopOn ⁡ BaseSet ⁡ U
20 19 toponunii ⊢ BaseSet ⁡ U = ⋃ J
21 20 cncnpi ⊢ T ∈ J Cn K ∧ 0 vec ⁡ U ∈ BaseSet ⁡ U → T ∈ J CnP K ⁡ 0 vec ⁡ U
22 13 21 mpan2 ⊢ T ∈ J Cn K → T ∈ J CnP K ⁡ 0 vec ⁡ U
23 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 blocnilem ⊢ 0 vec ⁡ U ∈ BaseSet ⁡ U ∧ T ∈ J CnP K ⁡ 0 vec ⁡ U → T ∈ B
24 13 22 23 sylancr ⊢ T ∈ J Cn K → T ∈ B
25 eleq1 ⊢ T = U 0 op W → T ∈ J Cn K ↔ U 0 op W ∈ J Cn K
26 simprr ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + → y ∈ ℝ +
27 eqid ⊢ BaseSet ⁡ W = BaseSet ⁡ W
28 eqid ⊢ U normOp OLD W = U normOp OLD W
29 10 27 28 6 nmblore ⊢ U ∈ NrmCVec ∧ W ∈ NrmCVec ∧ T ∈ B → U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ
30 7 8 29 mp3an12 ⊢ T ∈ B → U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ
31 eqid ⊢ U 0 op W = U 0 op W
32 28 31 5 nmlnogt0 ⊢ U ∈ NrmCVec ∧ W ∈ NrmCVec ∧ T ∈ L → T ≠ U 0 op W ↔ 0 < U normOp OLD W ⁡ T
33 7 8 9 32 mp3an ⊢ T ≠ U 0 op W ↔ 0 < U normOp OLD W ⁡ T
34 33 biimpi ⊢ T ≠ U 0 op W → 0 < U normOp OLD W ⁡ T
35 30 34 anim12i ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W → U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ ∧ 0 < U normOp OLD W ⁡ T
36 elrp ⊢ U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ + ↔ U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ ∧ 0 < U normOp OLD W ⁡ T
37 35 36 sylibr ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W → U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ +
38 37 adantr ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + → U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ +
39 26 38 rpdivcld ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + → y U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ +
40 simprl ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + → x ∈ BaseSet ⁡ U
41 metcl ⊢ C ∈ Met ⁡ BaseSet ⁡ U ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → x C w ∈ ℝ
42 15 41 mp3an1 ⊢ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → x C w ∈ ℝ
43 40 42 sylan ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → x C w ∈ ℝ
44 simplrr ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → y ∈ ℝ +
45 44 rpred ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → y ∈ ℝ
46 35 ad2antrr ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ ∧ 0 < U normOp OLD W ⁡ T
47 ltmuldiv2 ⊢ x C w ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ ∧ U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ ∧ 0 < U normOp OLD W ⁡ T → U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w < y ↔ x C w < y U normOp OLD W ⁡ T
48 43 45 46 47 syl3anc ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w < y ↔ x C w < y U normOp OLD W ⁡ T
49 id ⊢ T ∈ B ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U → T ∈ B ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U
50 49 ad2ant2r ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + → T ∈ B ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U
51 10 27 1 2 28 6 7 8 blometi ⊢ T ∈ B ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → T ⁡ x D T ⁡ w ≤ U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w
52 51 3expa ⊢ T ∈ B ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → T ⁡ x D T ⁡ w ≤ U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w
53 50 52 sylan ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → T ⁡ x D T ⁡ w ≤ U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w
54 10 27 5 lnof ⊢ U ∈ NrmCVec ∧ W ∈ NrmCVec ∧ T ∈ L → T : BaseSet ⁡ U ⟶ BaseSet ⁡ W
55 7 8 9 54 mp3an ⊢ T : BaseSet ⁡ U ⟶ BaseSet ⁡ W
56 55 ffvelcdmi ⊢ x ∈ BaseSet ⁡ U → T ⁡ x ∈ BaseSet ⁡ W
57 55 ffvelcdmi ⊢ w ∈ BaseSet ⁡ U → T ⁡ w ∈ BaseSet ⁡ W
58 27 2 imsmet ⊢ W ∈ NrmCVec → D ∈ Met ⁡ BaseSet ⁡ W
59 8 58 ax-mp ⊢ D ∈ Met ⁡ BaseSet ⁡ W
60 metcl ⊢ D ∈ Met ⁡ BaseSet ⁡ W ∧ T ⁡ x ∈ BaseSet ⁡ W ∧ T ⁡ w ∈ BaseSet ⁡ W → T ⁡ x D T ⁡ w ∈ ℝ
61 59 60 mp3an1 ⊢ T ⁡ x ∈ BaseSet ⁡ W ∧ T ⁡ w ∈ BaseSet ⁡ W → T ⁡ x D T ⁡ w ∈ ℝ
62 56 57 61 syl2an ⊢ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → T ⁡ x D T ⁡ w ∈ ℝ
63 40 62 sylan ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → T ⁡ x D T ⁡ w ∈ ℝ
64 remulcl ⊢ U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ ∧ x C w ∈ ℝ → U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w ∈ ℝ
65 30 42 64 syl2an ⊢ T ∈ B ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w ∈ ℝ
66 65 anassrs ⊢ T ∈ B ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w ∈ ℝ
67 66 adantllr ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w ∈ ℝ
68 67 adantlrr ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w ∈ ℝ
69 lelttr ⊢ T ⁡ x D T ⁡ w ∈ ℝ ∧ U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w ∈ ℝ ∧ y ∈ ℝ → T ⁡ x D T ⁡ w ≤ U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w ∧ U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w < y → T ⁡ x D T ⁡ w < y
70 63 68 45 69 syl3anc ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → T ⁡ x D T ⁡ w ≤ U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w ∧ U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w < y → T ⁡ x D T ⁡ w < y
71 53 70 mpand ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → U normOp OLD W ⁡ T ⁢ x C w < y → T ⁡ x D T ⁡ w < y
72 48 71 sylbird ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + ∧ w ∈ BaseSet ⁡ U → x C w < y U normOp OLD W ⁡ T → T ⁡ x D T ⁡ w < y
73 72 ralrimiva ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + → ∀ w ∈ BaseSet ⁡ U x C w < y U normOp OLD W ⁡ T → T ⁡ x D T ⁡ w < y
74 breq2 ⊢ z = y U normOp OLD W ⁡ T → x C w < z ↔ x C w < y U normOp OLD W ⁡ T
75 74 rspceaimv ⊢ y U normOp OLD W ⁡ T ∈ ℝ + ∧ ∀ w ∈ BaseSet ⁡ U x C w < y U normOp OLD W ⁡ T → T ⁡ x D T ⁡ w < y → ∃ z ∈ ℝ + ∀ w ∈ BaseSet ⁡ U x C w < z → T ⁡ x D T ⁡ w < y
76 39 73 75 syl2anc ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W ∧ x ∈ BaseSet ⁡ U ∧ y ∈ ℝ + → ∃ z ∈ ℝ + ∀ w ∈ BaseSet ⁡ U x C w < z → T ⁡ x D T ⁡ w < y
77 76 ralrimivva ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W → ∀ x ∈ BaseSet ⁡ U ∀ y ∈ ℝ + ∃ z ∈ ℝ + ∀ w ∈ BaseSet ⁡ U x C w < z → T ⁡ x D T ⁡ w < y
78 77 55 jctil ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W → T : BaseSet ⁡ U ⟶ BaseSet ⁡ W ∧ ∀ x ∈ BaseSet ⁡ U ∀ y ∈ ℝ + ∃ z ∈ ℝ + ∀ w ∈ BaseSet ⁡ U x C w < z → T ⁡ x D T ⁡ w < y
79 metxmet ⊢ D ∈ Met ⁡ BaseSet ⁡ W → D ∈ ∞Met ⁡ BaseSet ⁡ W
80 59 79 ax-mp ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ BaseSet ⁡ W
81 3 4 metcn ⊢ C ∈ ∞Met ⁡ BaseSet ⁡ U ∧ D ∈ ∞Met ⁡ BaseSet ⁡ W → T ∈ J Cn K ↔ T : BaseSet ⁡ U ⟶ BaseSet ⁡ W ∧ ∀ x ∈ BaseSet ⁡ U ∀ y ∈ ℝ + ∃ z ∈ ℝ + ∀ w ∈ BaseSet ⁡ U x C w < z → T ⁡ x D T ⁡ w < y
82 17 80 81 mp2an ⊢ T ∈ J Cn K ↔ T : BaseSet ⁡ U ⟶ BaseSet ⁡ W ∧ ∀ x ∈ BaseSet ⁡ U ∀ y ∈ ℝ + ∃ z ∈ ℝ + ∀ w ∈ BaseSet ⁡ U x C w < z → T ⁡ x D T ⁡ w < y
83 78 82 sylibr ⊢ T ∈ B ∧ T ≠ U 0 op W → T ∈ J Cn K
84 eqid ⊢ 0 vec ⁡ W = 0 vec ⁡ W
85 10 84 31 0ofval ⊢ U ∈ NrmCVec ∧ W ∈ NrmCVec → U 0 op W = BaseSet ⁡ U × 0 vec ⁡ W
86 7 8 85 mp2an ⊢ U 0 op W = BaseSet ⁡ U × 0 vec ⁡ W
87 4 mopntopon ⊢ D ∈ ∞Met ⁡ BaseSet ⁡ W → K ∈ TopOn ⁡ BaseSet ⁡ W
88 80 87 ax-mp ⊢ K ∈ TopOn ⁡ BaseSet ⁡ W
89 27 84 nvzcl ⊢ W ∈ NrmCVec → 0 vec ⁡ W ∈ BaseSet ⁡ W
90 8 89 ax-mp ⊢ 0 vec ⁡ W ∈ BaseSet ⁡ W
91 cnconst2 ⊢ J ∈ TopOn ⁡ BaseSet ⁡ U ∧ K ∈ TopOn ⁡ BaseSet ⁡ W ∧ 0 vec ⁡ W ∈ BaseSet ⁡ W → BaseSet ⁡ U × 0 vec ⁡ W ∈ J Cn K
92 19 88 90 91 mp3an ⊢ BaseSet ⁡ U × 0 vec ⁡ W ∈ J Cn K
93 86 92 eqeltri ⊢ U 0 op W ∈ J Cn K
94 93 a1i ⊢ T ∈ B → U 0 op W ∈ J Cn K
95 25 83 94 pm2.61ne ⊢ T ∈ B → T ∈ J Cn K
96 24 95 impbii ⊢ T ∈ J Cn K ↔ T ∈ B