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Theorem lbslsat

Description: A nonzero vector X is a basis of a line spanned by the singleton X . Spans of nonzero singletons are sometimes called "atoms", see df-lsatoms and for example lsatlspsn . (Contributed by Thierry Arnoux, 20-May-2023)

Ref Expression
Hypotheses lbslsat.v ⊢ V = Base W
lbslsat.n ⊢ N = LSpan ⁡ W
lbslsat.z ⊢ 0 ˙ = 0 W
lbslsat.y ⊢ Y = W ↾ 𝑠 N ⁡ X
Assertion lbslsat ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → X ∈ LBasis ⁡ Y

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 lbslsat.v ⊢ V = Base W
2 lbslsat.n ⊢ N = LSpan ⁡ W
3 lbslsat.z ⊢ 0 ˙ = 0 W
4 lbslsat.y ⊢ Y = W ↾ 𝑠 N ⁡ X
5 lveclmod ⊢ W ∈ LVec → W ∈ LMod
6 snssi ⊢ X ∈ V → X ⊆ V
7 eqid ⊢ LSubSp ⁡ W = LSubSp ⁡ W
8 1 7 2 lspcl ⊢ W ∈ LMod ∧ X ⊆ V → N ⁡ X ∈ LSubSp ⁡ W
9 5 6 8 syl2an ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → N ⁡ X ∈ LSubSp ⁡ W
10 4 7 lsslvec ⊢ W ∈ LVec ∧ N ⁡ X ∈ LSubSp ⁡ W → Y ∈ LVec
11 9 10 syldan ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → Y ∈ LVec
12 11 3adant3 ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → Y ∈ LVec
13 1 2 lspssid ⊢ W ∈ LMod ∧ X ⊆ V → X ⊆ N ⁡ X
14 5 6 13 syl2an ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → X ⊆ N ⁡ X
15 1 2 lspssv ⊢ W ∈ LMod ∧ X ⊆ V → N ⁡ X ⊆ V
16 5 6 15 syl2an ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → N ⁡ X ⊆ V
17 4 1 ressbas2 ⊢ N ⁡ X ⊆ V → N ⁡ X = Base Y
18 16 17 syl ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → N ⁡ X = Base Y
19 14 18 sseqtrd ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → X ⊆ Base Y
20 19 3adant3 ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → X ⊆ Base Y
21 5 adantr ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → W ∈ LMod
22 eqid ⊢ LSpan ⁡ Y = LSpan ⁡ Y
23 4 2 22 7 lsslsp ⊢ W ∈ LMod ∧ N ⁡ X ∈ LSubSp ⁡ W ∧ X ⊆ N ⁡ X → LSpan ⁡ Y ⁡ X = N ⁡ X
24 21 9 14 23 syl3anc ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → LSpan ⁡ Y ⁡ X = N ⁡ X
25 24 3adant3 ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → LSpan ⁡ Y ⁡ X = N ⁡ X
26 18 3adant3 ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → N ⁡ X = Base Y
27 25 26 eqtrd ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → LSpan ⁡ Y ⁡ X = Base Y
28 difid ⊢ X ∖ X = ∅
29 28 fveq2i ⊢ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X = LSpan ⁡ Y ⁡ ∅
30 29 a1i ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X = LSpan ⁡ Y ⁡ ∅
31 30 eleq2d ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X ↔ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ ∅
32 31 biimpa ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X → X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ ∅
33 lveclmod ⊢ Y ∈ LVec → Y ∈ LMod
34 eqid ⊢ 0 Y = 0 Y
35 34 22 lsp0 ⊢ Y ∈ LMod → LSpan ⁡ Y ⁡ ∅ = 0 Y
36 11 33 35 3syl ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → LSpan ⁡ Y ⁡ ∅ = 0 Y
37 36 adantr ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X → LSpan ⁡ Y ⁡ ∅ = 0 Y
38 32 37 eleqtrd ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X → X ∈ 0 Y
39 elsni ⊢ X ∈ 0 Y → X = 0 Y
40 38 39 syl ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X → X = 0 Y
41 lmodgrp ⊢ W ∈ LMod → W ∈ Grp
42 grpmnd ⊢ W ∈ Grp → W ∈ Mnd
43 21 41 42 3syl ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → W ∈ Mnd
44 3 1 2 0ellsp ⊢ W ∈ LMod ∧ X ⊆ V → 0 ˙ ∈ N ⁡ X
45 5 6 44 syl2an ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → 0 ˙ ∈ N ⁡ X
46 4 1 3 ress0g ⊢ W ∈ Mnd ∧ 0 ˙ ∈ N ⁡ X ∧ N ⁡ X ⊆ V → 0 ˙ = 0 Y
47 43 45 16 46 syl3anc ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → 0 ˙ = 0 Y
48 47 adantr ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X → 0 ˙ = 0 Y
49 40 48 eqtr4d ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X → X = 0 ˙
50 49 ex ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X → X = 0 ˙
51 50 necon3ad ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V → X ≠ 0 ˙ → ¬ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X
52 51 3impia ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → ¬ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X
53 id ⊢ x = X → x = X
54 sneq ⊢ x = X → x = X
55 54 difeq2d ⊢ x = X → X ∖ x = X ∖ X
56 55 fveq2d ⊢ x = X → LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ x = LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X
57 53 56 eleq12d ⊢ x = X → x ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ x ↔ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X
58 57 notbid ⊢ x = X → ¬ x ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ x ↔ ¬ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X
59 58 ralsng ⊢ X ∈ V → ∀ x ∈ X ¬ x ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ x ↔ ¬ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X
60 59 3ad2ant2 ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → ∀ x ∈ X ¬ x ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ x ↔ ¬ X ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ X
61 52 60 mpbird ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → ∀ x ∈ X ¬ x ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ x
62 eqid ⊢ Base Y = Base Y
63 eqid ⊢ LBasis ⁡ Y = LBasis ⁡ Y
64 62 63 22 islbs2 ⊢ Y ∈ LVec → X ∈ LBasis ⁡ Y ↔ X ⊆ Base Y ∧ LSpan ⁡ Y ⁡ X = Base Y ∧ ∀ x ∈ X ¬ x ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ x
65 64 biimpar ⊢ Y ∈ LVec ∧ X ⊆ Base Y ∧ LSpan ⁡ Y ⁡ X = Base Y ∧ ∀ x ∈ X ¬ x ∈ LSpan ⁡ Y ⁡ X ∖ x → X ∈ LBasis ⁡ Y
66 12 20 27 61 65 syl13anc ⊢ W ∈ LVec ∧ X ∈ V ∧ X ≠ 0 ˙ → X ∈ LBasis ⁡ Y