Metamath Proof Explorer


Theorem frlmphl

Description: Conditions for a free module to be a pre-Hilbert space. (Contributed by Thierry Arnoux, 21-Jun-2019) (Proof shortened by AV, 21-Jul-2019)

Ref Expression
Hypotheses frlmphl.y Y = R freeLMod I
frlmphl.b B = Base R
frlmphl.t · ˙ = R
frlmphl.v V = Base Y
frlmphl.j , ˙ = 𝑖 Y
frlmphl.o O = 0 Y
frlmphl.0 0 ˙ = 0 R
frlmphl.s ˙ = * R
frlmphl.f φ R Field
frlmphl.m φ g V g , ˙ g = 0 ˙ g = O
frlmphl.u φ x B ˙ x = x
frlmphl.i φ I W
Assertion frlmphl φ Y PreHil

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 frlmphl.y Y = R freeLMod I
2 frlmphl.b B = Base R
3 frlmphl.t · ˙ = R
4 frlmphl.v V = Base Y
5 frlmphl.j , ˙ = 𝑖 Y
6 frlmphl.o O = 0 Y
7 frlmphl.0 0 ˙ = 0 R
8 frlmphl.s ˙ = * R
9 frlmphl.f φ R Field
10 frlmphl.m φ g V g , ˙ g = 0 ˙ g = O
11 frlmphl.u φ x B ˙ x = x
12 frlmphl.i φ I W
13 4 a1i φ V = Base Y
14 eqidd φ + Y = + Y
15 eqidd φ Y = Y
16 5 a1i φ , ˙ = 𝑖 Y
17 6 a1i φ O = 0 Y
18 isfld R Field R DivRing R CRing
19 9 18 sylib φ R DivRing R CRing
20 19 simpld φ R DivRing
21 1 frlmsca R DivRing I W R = Scalar Y
22 20 12 21 syl2anc φ R = Scalar Y
23 2 a1i φ B = Base R
24 eqidd φ + R = + R
25 3 a1i φ · ˙ = R
26 8 a1i φ ˙ = * R
27 7 a1i φ 0 ˙ = 0 R
28 20 drngringd φ R Ring
29 1 frlmlmod R Ring I W Y LMod
30 28 12 29 syl2anc φ Y LMod
31 22 20 eqeltrrd φ Scalar Y DivRing
32 eqid Scalar Y = Scalar Y
33 32 islvec Y LVec Y LMod Scalar Y DivRing
34 30 31 33 sylanbrc φ Y LVec
35 9 fldcrngd φ R CRing
36 2 8 35 11 idsrngd φ R *-Ring
37 12 3ad2ant1 φ g V h V I W
38 28 3ad2ant1 φ g V h V R Ring
39 simp2 φ g V h V g V
40 simp3 φ g V h V h V
41 1 2 3 4 5 frlmipval I W R Ring g V h V g , ˙ h = R g · ˙ f h
42 37 38 39 40 41 syl22anc φ g V h V g , ˙ h = R g · ˙ f h
43 1 2 4 frlmbasmap I W g V g B I
44 37 39 43 syl2anc φ g V h V g B I
45 elmapi g B I g : I B
46 44 45 syl φ g V h V g : I B
47 46 ffnd φ g V h V g Fn I
48 1 2 4 frlmbasmap I W h V h B I
49 37 40 48 syl2anc φ g V h V h B I
50 elmapi h B I h : I B
51 49 50 syl φ g V h V h : I B
52 51 ffnd φ g V h V h Fn I
53 inidm I I = I
54 eqidd φ g V h V x I g x = g x
55 eqidd φ g V h V x I h x = h x
56 47 52 37 37 53 54 55 offval φ g V h V g · ˙ f h = x I g x · ˙ h x
57 56 oveq2d φ g V h V R g · ˙ f h = R x I g x · ˙ h x
58 42 57 eqtrd φ g V h V g , ˙ h = R x I g x · ˙ h x
59 28 ringcmnd φ R CMnd
60 59 3ad2ant1 φ g V h V R CMnd
61 38 adantr φ g V h V x I R Ring
62 46 ffvelcdmda φ g V h V x I g x B
63 51 ffvelcdmda φ g V h V x I h x B
64 2 3 61 62 63 ringcld φ g V h V x I g x · ˙ h x B
65 64 fmpttd φ g V h V x I g x · ˙ h x : I B
66 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 frlmphllem φ g V h V finSupp 0 ˙ x I g x · ˙ h x
67 2 7 60 37 65 66 gsumcl φ g V h V R x I g x · ˙ h x B
68 58 67 eqeltrd φ g V h V g , ˙ h B
69 eqid + R = + R
70 59 3ad2ant1 φ k B g V h V i V R CMnd
71 12 3ad2ant1 φ k B g V h V i V I W
72 28 3ad2ant1 φ k B g V h V i V R Ring
73 72 adantr φ k B g V h V i V x I R Ring
74 simp2 φ k B g V h V i V k B
75 74 adantr φ k B g V h V i V x I k B
76 simp31 φ k B g V h V i V g V
77 71 76 43 syl2anc φ k B g V h V i V g B I
78 77 45 syl φ k B g V h V i V g : I B
79 78 ffvelcdmda φ k B g V h V i V x I g x B
80 simp33 φ k B g V h V i V i V
81 1 2 4 frlmbasmap I W i V i B I
82 71 80 81 syl2anc φ k B g V h V i V i B I
83 elmapi i B I i : I B
84 82 83 syl φ k B g V h V i V i : I B
85 84 ffvelcdmda φ k B g V h V i V x I i x B
86 2 3 73 79 85 ringcld φ k B g V h V i V x I g x · ˙ i x B
87 2 3 73 75 86 ringcld φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x · ˙ i x B
88 simp32 φ k B g V h V i V h V
89 71 88 48 syl2anc φ k B g V h V i V h B I
90 89 50 syl φ k B g V h V i V h : I B
91 90 ffvelcdmda φ k B g V h V i V x I h x B
92 2 3 73 91 85 ringcld φ k B g V h V i V x I h x · ˙ i x B
93 eqidd φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x · ˙ i x = x I k · ˙ g x · ˙ i x
94 eqidd φ k B g V h V i V x I h x · ˙ i x = x I h x · ˙ i x
95 fveq2 x = y g x = g y
96 95 oveq2d x = y k · ˙ g x = k · ˙ g y
97 96 cbvmptv x I k · ˙ g x = y I k · ˙ g y
98 97 oveq1i x I k · ˙ g x · ˙ f i = y I k · ˙ g y · ˙ f i
99 2 3 73 75 79 ringcld φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x B
100 99 fmpttd φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x : I B
101 100 ffnd φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x Fn I
102 97 fneq1i x I k · ˙ g x Fn I y I k · ˙ g y Fn I
103 101 102 sylib φ k B g V h V i V y I k · ˙ g y Fn I
104 84 ffnd φ k B g V h V i V i Fn I
105 eqidd φ k B g V h V i V x I y I k · ˙ g y = y I k · ˙ g y
106 simpr φ k B g V h V i V x I y = x y = x
107 106 fveq2d φ k B g V h V i V x I y = x g y = g x
108 107 oveq2d φ k B g V h V i V x I y = x k · ˙ g y = k · ˙ g x
109 simpr φ k B g V h V i V x I x I
110 ovexd φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x V
111 105 108 109 110 fvmptd φ k B g V h V i V x I y I k · ˙ g y x = k · ˙ g x
112 eqidd φ k B g V h V i V x I i x = i x
113 103 104 71 71 53 111 112 offval φ k B g V h V i V y I k · ˙ g y · ˙ f i = x I k · ˙ g x · ˙ i x
114 2 3 ringass R Ring k B g x B i x B k · ˙ g x · ˙ i x = k · ˙ g x · ˙ i x
115 73 75 79 85 114 syl13anc φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x · ˙ i x = k · ˙ g x · ˙ i x
116 115 mpteq2dva φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x · ˙ i x = x I k · ˙ g x · ˙ i x
117 113 116 eqtrd φ k B g V h V i V y I k · ˙ g y · ˙ f i = x I k · ˙ g x · ˙ i x
118 98 117 eqtrid φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x · ˙ f i = x I k · ˙ g x · ˙ i x
119 ovexd φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x · ˙ f i V
120 101 104 71 71 offun φ k B g V h V i V Fun x I k · ˙ g x · ˙ f i
121 simp3 g V h V i V i V
122 12 121 anim12i φ g V h V i V I W i V
123 122 3adant2 φ k B g V h V i V I W i V
124 1 7 4 frlmbasfsupp I W i V finSupp 0 ˙ i
125 123 124 syl φ k B g V h V i V finSupp 0 ˙ i
126 2 7 ring0cl R Ring 0 ˙ B
127 72 126 syl φ k B g V h V i V 0 ˙ B
128 2 3 7 ringrz R Ring y B y · ˙ 0 ˙ = 0 ˙
129 72 128 sylan φ k B g V h V i V y B y · ˙ 0 ˙ = 0 ˙
130 71 127 100 84 129 suppofss2d φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x · ˙ f i supp 0 ˙ i supp 0 ˙
131 fsuppsssupp x I k · ˙ g x · ˙ f i V Fun x I k · ˙ g x · ˙ f i finSupp 0 ˙ i x I k · ˙ g x · ˙ f i supp 0 ˙ i supp 0 ˙ finSupp 0 ˙ x I k · ˙ g x · ˙ f i
132 119 120 125 130 131 syl22anc φ k B g V h V i V finSupp 0 ˙ x I k · ˙ g x · ˙ f i
133 118 132 eqbrtrrd φ k B g V h V i V finSupp 0 ˙ x I k · ˙ g x · ˙ i x
134 simp1 φ k B g V h V i V φ
135 eleq1w g = h g V h V
136 id g = h g = h
137 136 136 oveq12d g = h g , ˙ g = h , ˙ h
138 137 eqeq1d g = h g , ˙ g = 0 ˙ h , ˙ h = 0 ˙
139 135 138 3anbi23d g = h φ g V g , ˙ g = 0 ˙ φ h V h , ˙ h = 0 ˙
140 eqeq1 g = h g = O h = O
141 139 140 imbi12d g = h φ g V g , ˙ g = 0 ˙ g = O φ h V h , ˙ h = 0 ˙ h = O
142 141 10 chvarvv φ h V h , ˙ h = 0 ˙ h = O
143 1 2 3 4 5 6 7 8 9 142 11 12 frlmphllem φ h V i V finSupp 0 ˙ x I h x · ˙ i x
144 134 88 80 143 syl3anc φ k B g V h V i V finSupp 0 ˙ x I h x · ˙ i x
145 2 7 69 70 71 87 92 93 94 133 144 gsummptfsadd φ k B g V h V i V R x I k · ˙ g x · ˙ i x + R h x · ˙ i x = R x I k · ˙ g x · ˙ i x + R R x I h x · ˙ i x
146 1 2 3 frlmip I W R DivRing g B I , h B I R x I g x · ˙ h x = 𝑖 Y
147 12 20 146 syl2anc φ g B I , h B I R x I g x · ˙ h x = 𝑖 Y
148 5 147 eqtr4id φ , ˙ = g B I , h B I R x I g x · ˙ h x
149 fveq1 e = g e x = g x
150 149 oveq1d e = g e x · ˙ f x = g x · ˙ f x
151 150 mpteq2dv e = g x I e x · ˙ f x = x I g x · ˙ f x
152 151 oveq2d e = g R x I e x · ˙ f x = R x I g x · ˙ f x
153 fveq1 f = h f x = h x
154 153 oveq2d f = h g x · ˙ f x = g x · ˙ h x
155 154 mpteq2dv f = h x I g x · ˙ f x = x I g x · ˙ h x
156 155 oveq2d f = h R x I g x · ˙ f x = R x I g x · ˙ h x
157 152 156 cbvmpov e B I , f B I R x I e x · ˙ f x = g B I , h B I R x I g x · ˙ h x
158 148 157 eqtr4di φ , ˙ = e B I , f B I R x I e x · ˙ f x
159 158 3ad2ant1 φ k B g V h V i V , ˙ = e B I , f B I R x I e x · ˙ f x
160 simprl φ k B g V h V i V e = k Y g + Y h f = i e = k Y g + Y h
161 160 fveq1d φ k B g V h V i V e = k Y g + Y h f = i e x = k Y g + Y h x
162 simprr φ k B g V h V i V e = k Y g + Y h f = i f = i
163 162 fveq1d φ k B g V h V i V e = k Y g + Y h f = i f x = i x
164 161 163 oveq12d φ k B g V h V i V e = k Y g + Y h f = i e x · ˙ f x = k Y g + Y h x · ˙ i x
165 164 mpteq2dv φ k B g V h V i V e = k Y g + Y h f = i x I e x · ˙ f x = x I k Y g + Y h x · ˙ i x
166 165 oveq2d φ k B g V h V i V e = k Y g + Y h f = i R x I e x · ˙ f x = R x I k Y g + Y h x · ˙ i x
167 30 3ad2ant1 φ k B g V h V i V Y LMod
168 22 3ad2ant1 φ k B g V h V i V R = Scalar Y
169 168 fveq2d φ k B g V h V i V Base R = Base Scalar Y
170 2 169 eqtrid φ k B g V h V i V B = Base Scalar Y
171 74 170 eleqtrd φ k B g V h V i V k Base Scalar Y
172 eqid Y = Y
173 eqid Base Scalar Y = Base Scalar Y
174 4 32 172 173 lmodvscl Y LMod k Base Scalar Y g V k Y g V
175 167 171 76 174 syl3anc φ k B g V h V i V k Y g V
176 eqid + Y = + Y
177 4 176 lmodvacl Y LMod k Y g V h V k Y g + Y h V
178 167 175 88 177 syl3anc φ k B g V h V i V k Y g + Y h V
179 1 2 4 frlmbasmap I W k Y g + Y h V k Y g + Y h B I
180 71 178 179 syl2anc φ k B g V h V i V k Y g + Y h B I
181 ovexd φ k B g V h V i V R x I k Y g + Y h x · ˙ i x V
182 159 166 180 82 181 ovmpod φ k B g V h V i V k Y g + Y h , ˙ i = R x I k Y g + Y h x · ˙ i x
183 1 4 72 71 175 88 69 176 frlmplusgval φ k B g V h V i V k Y g + Y h = k Y g + R f h
184 1 2 4 frlmbasmap I W k Y g V k Y g B I
185 71 175 184 syl2anc φ k B g V h V i V k Y g B I
186 elmapi k Y g B I k Y g : I B
187 ffn k Y g : I B k Y g Fn I
188 185 186 187 3syl φ k B g V h V i V k Y g Fn I
189 90 ffnd φ k B g V h V i V h Fn I
190 71 adantr φ k B g V h V i V x I I W
191 76 adantr φ k B g V h V i V x I g V
192 1 4 2 190 75 191 109 172 3 frlmvscaval φ k B g V h V i V x I k Y g x = k · ˙ g x
193 eqidd φ k B g V h V i V x I h x = h x
194 188 189 71 71 53 192 193 offval φ k B g V h V i V k Y g + R f h = x I k · ˙ g x + R h x
195 183 194 eqtrd φ k B g V h V i V k Y g + Y h = x I k · ˙ g x + R h x
196 ovexd φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x + R h x V
197 195 196 fvmpt2d φ k B g V h V i V x I k Y g + Y h x = k · ˙ g x + R h x
198 197 oveq1d φ k B g V h V i V x I k Y g + Y h x · ˙ i x = k · ˙ g x + R h x · ˙ i x
199 2 69 3 ringdir R Ring k · ˙ g x B h x B i x B k · ˙ g x + R h x · ˙ i x = k · ˙ g x · ˙ i x + R h x · ˙ i x
200 73 99 91 85 199 syl13anc φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x + R h x · ˙ i x = k · ˙ g x · ˙ i x + R h x · ˙ i x
201 115 oveq1d φ k B g V h V i V x I k · ˙ g x · ˙ i x + R h x · ˙ i x = k · ˙ g x · ˙ i x + R h x · ˙ i x
202 198 200 201 3eqtrd φ k B g V h V i V x I k Y g + Y h x · ˙ i x = k · ˙ g x · ˙ i x + R h x · ˙ i x
203 202 mpteq2dva φ k B g V h V i V x I k Y g + Y h x · ˙ i x = x I k · ˙ g x · ˙ i x + R h x · ˙ i x
204 203 oveq2d φ k B g V h V i V R x I k Y g + Y h x · ˙ i x = R x I k · ˙ g x · ˙ i x + R h x · ˙ i x
205 182 204 eqtrd φ k B g V h V i V k Y g + Y h , ˙ i = R x I k · ˙ g x · ˙ i x + R h x · ˙ i x
206 simprl φ k B g V h V i V e = g f = i e = g
207 206 fveq1d φ k B g V h V i V e = g f = i e x = g x
208 simprr φ k B g V h V i V e = g f = i f = i
209 208 fveq1d φ k B g V h V i V e = g f = i f x = i x
210 207 209 oveq12d φ k B g V h V i V e = g f = i e x · ˙ f x = g x · ˙ i x
211 210 mpteq2dv φ k B g V h V i V e = g f = i x I e x · ˙ f x = x I g x · ˙ i x
212 211 oveq2d φ k B g V h V i V e = g f = i R x I e x · ˙ f x = R x I g x · ˙ i x
213 ovexd φ k B g V h V i V R x I g x · ˙ i x V
214 159 212 77 82 213 ovmpod φ k B g V h V i V g , ˙ i = R x I g x · ˙ i x
215 214 oveq2d φ k B g V h V i V k · ˙ g , ˙ i = k · ˙ R x I g x · ˙ i x
216 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 frlmphllem φ g V i V finSupp 0 ˙ x I g x · ˙ i x
217 134 76 80 216 syl3anc φ k B g V h V i V finSupp 0 ˙ x I g x · ˙ i x
218 2 7 3 72 71 74 86 217 gsummulc2 φ k B g V h V i V R x I k · ˙ g x · ˙ i x = k · ˙ R x I g x · ˙ i x
219 215 218 eqtr4d φ k B g V h V i V k · ˙ g , ˙ i = R x I k · ˙ g x · ˙ i x
220 simprl φ k B g V h V i V e = h f = i e = h
221 220 fveq1d φ k B g V h V i V e = h f = i e x = h x
222 simprr φ k B g V h V i V e = h f = i f = i
223 222 fveq1d φ k B g V h V i V e = h f = i f x = i x
224 221 223 oveq12d φ k B g V h V i V e = h f = i e x · ˙ f x = h x · ˙ i x
225 224 mpteq2dv φ k B g V h V i V e = h f = i x I e x · ˙ f x = x I h x · ˙ i x
226 225 oveq2d φ k B g V h V i V e = h f = i R x I e x · ˙ f x = R x I h x · ˙ i x
227 ovexd φ k B g V h V i V R x I h x · ˙ i x V
228 159 226 89 82 227 ovmpod φ k B g V h V i V h , ˙ i = R x I h x · ˙ i x
229 219 228 oveq12d φ k B g V h V i V k · ˙ g , ˙ i + R h , ˙ i = R x I k · ˙ g x · ˙ i x + R R x I h x · ˙ i x
230 145 205 229 3eqtr4d φ k B g V h V i V k Y g + Y h , ˙ i = k · ˙ g , ˙ i + R h , ˙ i
231 35 3ad2ant1 φ g V h V R CRing
232 231 adantr φ g V h V x I R CRing
233 2 3 crngcom R CRing h x B g x B h x · ˙ g x = g x · ˙ h x
234 232 63 62 233 syl3anc φ g V h V x I h x · ˙ g x = g x · ˙ h x
235 234 mpteq2dva φ g V h V x I h x · ˙ g x = x I g x · ˙ h x
236 235 oveq2d φ g V h V R x I h x · ˙ g x = R x I g x · ˙ h x
237 158 3ad2ant1 φ g V h V , ˙ = e B I , f B I R x I e x · ˙ f x
238 simprl φ g V h V e = h f = g e = h
239 238 fveq1d φ g V h V e = h f = g e x = h x
240 simprr φ g V h V e = h f = g f = g
241 240 fveq1d φ g V h V e = h f = g f x = g x
242 239 241 oveq12d φ g V h V e = h f = g e x · ˙ f x = h x · ˙ g x
243 242 mpteq2dv φ g V h V e = h f = g x I e x · ˙ f x = x I h x · ˙ g x
244 243 oveq2d φ g V h V e = h f = g R x I e x · ˙ f x = R x I h x · ˙ g x
245 ovexd φ g V h V R x I h x · ˙ g x V
246 237 244 49 44 245 ovmpod φ g V h V h , ˙ g = R x I h x · ˙ g x
247 fveq2 x = g , ˙ h ˙ x = ˙ g , ˙ h
248 id x = g , ˙ h x = g , ˙ h
249 247 248 eqeq12d x = g , ˙ h ˙ x = x ˙ g , ˙ h = g , ˙ h
250 11 ralrimiva φ x B ˙ x = x
251 250 3ad2ant1 φ g V h V x B ˙ x = x
252 249 251 68 rspcdva φ g V h V ˙ g , ˙ h = g , ˙ h
253 252 58 eqtrd φ g V h V ˙ g , ˙ h = R x I g x · ˙ h x
254 236 246 253 3eqtr4rd φ g V h V ˙ g , ˙ h = h , ˙ g
255 13 14 15 16 17 22 23 24 25 26 27 34 36 68 230 10 254 isphld φ Y PreHil