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Theorem frlmsnic

Description: Given a free module with a singleton as the index set, that is, a free module of one-dimensional vectors, the function that maps each vector to its coordinate is a module isomorphism from that module to its ring of scalars seen as a module. (Contributed by Steven Nguyen, 18-Aug-2023)

Ref Expression
Hypotheses frlmsnic.w ⊢ W = K freeLMod I
frlmsnic.1 ⊢ F = x ∈ Base W ⟼ x ⁡ I
Assertion frlmsnic ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → F ∈ W LMIso ringLMod ⁡ K

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 frlmsnic.w ⊢ W = K freeLMod I
2 frlmsnic.1 ⊢ F = x ∈ Base W ⟼ x ⁡ I
3 eqid ⊢ Base W = Base W
4 eqid ⊢ ⋅ W = ⋅ W
5 eqid ⊢ ⋅ ringLMod ⁡ K = ⋅ ringLMod ⁡ K
6 eqid ⊢ Scalar ⁡ W = Scalar ⁡ W
7 eqid ⊢ Scalar ⁡ ringLMod ⁡ K = Scalar ⁡ ringLMod ⁡ K
8 eqid ⊢ Base Scalar ⁡ W = Base Scalar ⁡ W
9 snex ⊢ I ∈ V
10 1 frlmlmod ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → W ∈ LMod
11 9 10 mpan2 ⊢ K ∈ Ring → W ∈ LMod
12 11 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → W ∈ LMod
13 rlmlmod ⊢ K ∈ Ring → ringLMod ⁡ K ∈ LMod
14 13 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → ringLMod ⁡ K ∈ LMod
15 rlmsca ⊢ K ∈ Ring → K = Scalar ⁡ ringLMod ⁡ K
16 15 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → K = Scalar ⁡ ringLMod ⁡ K
17 1 frlmsca ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → K = Scalar ⁡ W
18 9 17 mpan2 ⊢ K ∈ Ring → K = Scalar ⁡ W
19 18 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → K = Scalar ⁡ W
20 16 19 eqtr3d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → Scalar ⁡ ringLMod ⁡ K = Scalar ⁡ W
21 rlmbas ⊢ Base K = Base ringLMod ⁡ K
22 eqid ⊢ + W = + W
23 rlmplusg ⊢ + K = + ringLMod ⁡ K
24 lmodgrp ⊢ W ∈ LMod → W ∈ Grp
25 12 24 syl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → W ∈ Grp
26 lmodgrp ⊢ ringLMod ⁡ K ∈ LMod → ringLMod ⁡ K ∈ Grp
27 13 26 syl ⊢ K ∈ Ring → ringLMod ⁡ K ∈ Grp
28 27 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → ringLMod ⁡ K ∈ Grp
29 eqid ⊢ Base K = Base K
30 1 29 3 frlmbasf ⊢ I ∈ V ∧ x ∈ Base W → x : I ⟶ Base K
31 9 30 mpan ⊢ x ∈ Base W → x : I ⟶ Base K
32 31 adantl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W → x : I ⟶ Base K
33 snidg ⊢ I ∈ V → I ∈ I
34 33 adantl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → I ∈ I
35 34 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W → I ∈ I
36 32 35 ffvelcdmd ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W → x ⁡ I ∈ Base K
37 36 2 fmptd ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → F : Base W ⟶ Base K
38 simpll ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → K ∈ Ring
39 9 a1i ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → I ∈ V
40 simprl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → x ∈ Base W
41 simprr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → y ∈ Base W
42 34 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → I ∈ I
43 eqid ⊢ + K = + K
44 1 3 38 39 40 41 42 43 22 frlmvplusgvalc ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → x + W y ⁡ I = x ⁡ I + K y ⁡ I
45 12 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → W ∈ LMod
46 3 22 lmodvacl ⊢ W ∈ LMod ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → x + W y ∈ Base W
47 45 40 41 46 syl3anc ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → x + W y ∈ Base W
48 fveq1 ⊢ t = x + W y → t ⁡ I = x + W y ⁡ I
49 fveq1 ⊢ x = t → x ⁡ I = t ⁡ I
50 49 cbvmptv ⊢ x ∈ Base W ⟼ x ⁡ I = t ∈ Base W ⟼ t ⁡ I
51 2 50 eqtri ⊢ F = t ∈ Base W ⟼ t ⁡ I
52 fvexd ⊢ t ∈ Base W → t ⁡ I ∈ V
53 48 51 52 fvmpt3 ⊢ x + W y ∈ Base W → F ⁡ x + W y = x + W y ⁡ I
54 47 53 syl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → F ⁡ x + W y = x + W y ⁡ I
55 2 a1i ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → F = x ∈ Base W ⟼ x ⁡ I
56 fvexd ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W ∧ x ∈ Base W → x ⁡ I ∈ V
57 55 56 fvmpt2d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W ∧ x ∈ Base W → F ⁡ x = x ⁡ I
58 40 57 mpdan ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → F ⁡ x = x ⁡ I
59 fveq1 ⊢ x = y → x ⁡ I = y ⁡ I
60 fvexd ⊢ x ∈ Base W → x ⁡ I ∈ V
61 59 2 60 fvmpt3 ⊢ y ∈ Base W → F ⁡ y = y ⁡ I
62 41 61 syl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → F ⁡ y = y ⁡ I
63 58 62 oveq12d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → F ⁡ x + K F ⁡ y = x ⁡ I + K y ⁡ I
64 44 54 63 3eqtr4d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base W → F ⁡ x + W y = F ⁡ x + K F ⁡ y
65 3 21 22 23 25 28 37 64 isghmd ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → F ∈ W GrpHom ringLMod ⁡ K
66 9 a1i ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → I ∈ V
67 19 eqcomd ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → Scalar ⁡ W = K
68 67 fveq2d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → Base Scalar ⁡ W = Base K
69 68 eleq2d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → x ∈ Base Scalar ⁡ W ↔ x ∈ Base K
70 69 biimpa ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W → x ∈ Base K
71 70 adantrr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → x ∈ Base K
72 simprr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → y ∈ Base W
73 34 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → I ∈ I
74 eqid ⊢ ⋅ K = ⋅ K
75 1 3 29 66 71 72 73 4 74 frlmvscaval ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → x ⋅ W y ⁡ I = x ⋅ K y ⁡ I
76 rlmvsca ⊢ ⋅ K = ⋅ ringLMod ⁡ K
77 76 oveqi ⊢ x ⋅ K y ⁡ I = x ⋅ ringLMod ⁡ K y ⁡ I
78 75 77 eqtrdi ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → x ⋅ W y ⁡ I = x ⋅ ringLMod ⁡ K y ⁡ I
79 fveq1 ⊢ x = u → x ⁡ I = u ⁡ I
80 79 cbvmptv ⊢ x ∈ Base W ⟼ x ⁡ I = u ∈ Base W ⟼ u ⁡ I
81 2 80 eqtri ⊢ F = u ∈ Base W ⟼ u ⁡ I
82 fveq1 ⊢ u = x ⋅ W y → u ⁡ I = x ⋅ W y ⁡ I
83 9 a1i ⊢ I ∈ V → I ∈ V
84 83 10 sylan2 ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → W ∈ LMod
85 84 adantr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → W ∈ LMod
86 simprl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → x ∈ Base Scalar ⁡ W
87 3 6 4 8 85 86 72 lmodvscld ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → x ⋅ W y ∈ Base W
88 fvexd ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → x ⋅ W y ⁡ I ∈ V
89 81 82 87 88 fvmptd3 ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → F ⁡ x ⋅ W y = x ⋅ W y ⁡ I
90 fvex ⊢ x ⁡ I ∈ V
91 59 2 90 fvmpt3i ⊢ y ∈ Base W → F ⁡ y = y ⁡ I
92 72 91 syl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → F ⁡ y = y ⁡ I
93 92 oveq2d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → x ⋅ ringLMod ⁡ K F ⁡ y = x ⋅ ringLMod ⁡ K y ⁡ I
94 78 89 93 3eqtr4d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base Scalar ⁡ W ∧ y ∈ Base W → F ⁡ x ⋅ W y = x ⋅ ringLMod ⁡ K F ⁡ y
95 3 4 5 6 7 8 12 14 20 65 94 islmhmd ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → F ∈ W LMHom ringLMod ⁡ K
96 simplr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ y ∈ Base K → I ∈ V
97 simpr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ y ∈ Base K → y ∈ Base K
98 96 97 fsnd ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ y ∈ Base K → I y : I ⟶ Base K
99 simpll ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ y ∈ Base K → K ∈ Ring
100 snfi ⊢ I ∈ Fin
101 1 29 3 frlmfielbas ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ Fin → I y ∈ Base W ↔ I y : I ⟶ Base K
102 99 100 101 sylancl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ y ∈ Base K → I y ∈ Base W ↔ I y : I ⟶ Base K
103 98 102 mpbird ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ y ∈ Base K → I y ∈ Base W
104 fveq1 ⊢ x = I y → x ⁡ I = I y ⁡ I
105 104 adantl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K ∧ x = I y → x ⁡ I = I y ⁡ I
106 simpllr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K ∧ x = I y → I ∈ V
107 vex ⊢ y ∈ V
108 fvsng ⊢ I ∈ V ∧ y ∈ V → I y ⁡ I = y
109 106 107 108 sylancl ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K ∧ x = I y → I y ⁡ I = y
110 105 109 eqtr2d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K ∧ x = I y → y = x ⁡ I
111 110 ex ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K → x = I y → y = x ⁡ I
112 simplr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K → I ∈ V
113 32 adantrr ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K → x : I ⟶ Base K
114 113 ffnd ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K → x Fn I
115 fnsnbg ⊢ I ∈ V → x Fn I ↔ x = I x ⁡ I
116 115 biimpd ⊢ I ∈ V → x Fn I → x = I x ⁡ I
117 112 114 116 sylc ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K → x = I x ⁡ I
118 opeq2 ⊢ y = x ⁡ I → I y = I x ⁡ I
119 118 sneqd ⊢ y = x ⁡ I → I y = I x ⁡ I
120 119 eqeq2d ⊢ y = x ⁡ I → x = I y ↔ x = I x ⁡ I
121 117 120 syl5ibrcom ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K → y = x ⁡ I → x = I y
122 111 121 impbid ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V ∧ x ∈ Base W ∧ y ∈ Base K → x = I y ↔ y = x ⁡ I
123 2 36 103 122 f1o2d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → F : Base W ⟶ 1-1 onto Base K
124 21 a1i ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → Base K = Base ringLMod ⁡ K
125 124 f1oeq3d ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → F : Base W ⟶ 1-1 onto Base K ↔ F : Base W ⟶ 1-1 onto Base ringLMod ⁡ K
126 123 125 mpbid ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → F : Base W ⟶ 1-1 onto Base ringLMod ⁡ K
127 eqid ⊢ Base ringLMod ⁡ K = Base ringLMod ⁡ K
128 3 127 islmim ⊢ F ∈ W LMIso ringLMod ⁡ K ↔ F ∈ W LMHom ringLMod ⁡ K ∧ F : Base W ⟶ 1-1 onto Base ringLMod ⁡ K
129 95 126 128 sylanbrc ⊢ K ∈ Ring ∧ I ∈ V → F ∈ W LMIso ringLMod ⁡ K