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Theorem mdetleib2

Description: Leibniz' formula can also be expanded by rows. (Contributed by Stefan O'Rear, 9-Jul-2018) (Proof shortened by AV, 23-Jul-2019)

Ref Expression
Hypotheses mdetfval.d ⊢ D = N maDet R
mdetfval.a ⊢ A = N Mat R
mdetfval.b ⊢ B = Base A
mdetfval.p ⊢ P = Base SymGrp ⁡ N
mdetfval.y ⊢ Y = ℤRHom ⁡ R
mdetfval.s ⊢ S = pmSgn ⁡ N
mdetfval.t ⊢ · ˙ = ⋅ R
mdetfval.u ⊢ U = mulGrp R
Assertion mdetleib2 ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → D ⁡ M = ∑ R p ∈ P Y ∘ S ⁡ p · ˙ ∑ U x ∈ N x M p ⁡ x

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 mdetfval.d ⊢ D = N maDet R
2 mdetfval.a ⊢ A = N Mat R
3 mdetfval.b ⊢ B = Base A
4 mdetfval.p ⊢ P = Base SymGrp ⁡ N
5 mdetfval.y ⊢ Y = ℤRHom ⁡ R
6 mdetfval.s ⊢ S = pmSgn ⁡ N
7 mdetfval.t ⊢ · ˙ = ⋅ R
8 mdetfval.u ⊢ U = mulGrp R
9 1 2 3 4 5 6 7 8 mdetleib ⊢ M ∈ B → D ⁡ M = ∑ R q ∈ P Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y
10 9 adantl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → D ⁡ M = ∑ R q ∈ P Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y
11 eqid ⊢ Base R = Base R
12 crngring ⊢ R ∈ CRing → R ∈ Ring
13 ringcmn ⊢ R ∈ Ring → R ∈ CMnd
14 12 13 syl ⊢ R ∈ CRing → R ∈ CMnd
15 14 adantr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → R ∈ CMnd
16 2 3 matrcl ⊢ M ∈ B → N ∈ Fin ∧ R ∈ V
17 16 adantl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → N ∈ Fin ∧ R ∈ V
18 17 simpld ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → N ∈ Fin
19 eqid ⊢ SymGrp ⁡ N = SymGrp ⁡ N
20 19 4 symgbasfi ⊢ N ∈ Fin → P ∈ Fin
21 18 20 syl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → P ∈ Fin
22 12 ad2antrr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P → R ∈ Ring
23 5 6 coeq12i ⊢ Y ∘ S = ℤRHom ⁡ R ∘ pmSgn ⁡ N
24 zrhpsgnmhm ⊢ R ∈ Ring ∧ N ∈ Fin → ℤRHom ⁡ R ∘ pmSgn ⁡ N ∈ SymGrp ⁡ N MndHom mulGrp R
25 23 24 eqeltrid ⊢ R ∈ Ring ∧ N ∈ Fin → Y ∘ S ∈ SymGrp ⁡ N MndHom mulGrp R
26 12 18 25 syl2an2r ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → Y ∘ S ∈ SymGrp ⁡ N MndHom mulGrp R
27 eqid ⊢ mulGrp R = mulGrp R
28 27 11 mgpbas ⊢ Base R = Base mulGrp R
29 4 28 mhmf ⊢ Y ∘ S ∈ SymGrp ⁡ N MndHom mulGrp R → Y ∘ S : P ⟶ Base R
30 26 29 syl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → Y ∘ S : P ⟶ Base R
31 30 ffvelcdmda ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P → Y ∘ S ⁡ q ∈ Base R
32 8 11 mgpbas ⊢ Base R = Base U
33 8 crngmgp ⊢ R ∈ CRing → U ∈ CMnd
34 33 ad2antrr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P → U ∈ CMnd
35 18 adantr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P → N ∈ Fin
36 simpr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → M ∈ B
37 2 11 3 matbas2i ⊢ M ∈ B → M ∈ Base R N × N
38 elmapi ⊢ M ∈ Base R N × N → M : N × N ⟶ Base R
39 36 37 38 3syl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → M : N × N ⟶ Base R
40 39 ad2antrr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P ∧ y ∈ N → M : N × N ⟶ Base R
41 19 4 symgbasf1o ⊢ q ∈ P → q : N ⟶ 1-1 onto N
42 41 adantl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P → q : N ⟶ 1-1 onto N
43 f1of ⊢ q : N ⟶ 1-1 onto N → q : N ⟶ N
44 42 43 syl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P → q : N ⟶ N
45 44 ffvelcdmda ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P ∧ y ∈ N → q ⁡ y ∈ N
46 simpr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P ∧ y ∈ N → y ∈ N
47 40 45 46 fovcdmd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P ∧ y ∈ N → q ⁡ y M y ∈ Base R
48 47 ralrimiva ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P → ∀ y ∈ N q ⁡ y M y ∈ Base R
49 32 34 35 48 gsummptcl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P → ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y ∈ Base R
50 11 7 ringcl ⊢ R ∈ Ring ∧ Y ∘ S ⁡ q ∈ Base R ∧ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y ∈ Base R → Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y ∈ Base R
51 22 31 49 50 syl3anc ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ q ∈ P → Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y ∈ Base R
52 51 ralrimiva ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → ∀ q ∈ P Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y ∈ Base R
53 eqid ⊢ q ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y = q ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y
54 eqid ⊢ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N
55 19 symggrp ⊢ N ∈ Fin → SymGrp ⁡ N ∈ Grp
56 18 55 syl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → SymGrp ⁡ N ∈ Grp
57 4 54 56 grpinvf1o ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N : P ⟶ 1-1 onto P
58 11 15 21 52 53 57 gsummptfif1o ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → ∑ R q ∈ P Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y = ∑ R q ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y ∘ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N
59 f1of ⊢ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N : P ⟶ 1-1 onto P → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N : P ⟶ P
60 57 59 syl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N : P ⟶ P
61 60 ffvelcdmda ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ∈ P
62 60 feqmptd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N = p ∈ P ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p
63 eqidd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → q ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y = q ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y
64 fveq2 ⊢ q = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p → Y ∘ S ⁡ q = Y ∘ S ⁡ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p
65 fveq1 ⊢ q = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p → q ⁡ y = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y
66 65 oveq1d ⊢ q = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p → q ⁡ y M y = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y
67 66 mpteq2dv ⊢ q = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p → y ∈ N ⟼ q ⁡ y M y = y ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y
68 67 oveq2d ⊢ q = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p → ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y = ∑ U y ∈ N inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y
69 64 68 oveq12d ⊢ q = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p → Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y = Y ∘ S ⁡ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p · ˙ ∑ U y ∈ N inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y
70 61 62 63 69 fmptco ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → q ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y ∘ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N = p ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p · ˙ ∑ U y ∈ N inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y
71 19 4 54 symginv ⊢ p ∈ P → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p = p -1
72 71 adantl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p = p -1
73 72 fveq2d ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → Y ∘ S ⁡ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p = Y ∘ S ⁡ p -1
74 12 ad2antrr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → R ∈ Ring
75 18 adantr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → N ∈ Fin
76 simpr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → p ∈ P
77 4 5 6 zrhpsgninv ⊢ R ∈ Ring ∧ N ∈ Fin ∧ p ∈ P → Y ∘ S ⁡ p -1 = Y ∘ S ⁡ p
78 74 75 76 77 syl3anc ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → Y ∘ S ⁡ p -1 = Y ∘ S ⁡ p
79 73 78 eqtrd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → Y ∘ S ⁡ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p = Y ∘ S ⁡ p
80 eqid ⊢ Base U = Base U
81 33 ad2antrr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → U ∈ CMnd
82 39 ad2antrr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ y ∈ N → M : N × N ⟶ Base R
83 71 ad2antlr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ y ∈ N → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p = p -1
84 83 fveq1d ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ y ∈ N → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y = p -1 ⁡ y
85 19 4 symgbasf1o ⊢ p ∈ P → p : N ⟶ 1-1 onto N
86 85 adantl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → p : N ⟶ 1-1 onto N
87 f1ocnv ⊢ p : N ⟶ 1-1 onto N → p -1 : N ⟶ 1-1 onto N
88 f1of ⊢ p -1 : N ⟶ 1-1 onto N → p -1 : N ⟶ N
89 86 87 88 3syl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → p -1 : N ⟶ N
90 89 ffvelcdmda ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ y ∈ N → p -1 ⁡ y ∈ N
91 84 90 eqeltrd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ y ∈ N → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y ∈ N
92 simpr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ y ∈ N → y ∈ N
93 82 91 92 fovcdmd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ y ∈ N → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y ∈ Base R
94 93 32 eleqtrdi ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ y ∈ N → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y ∈ Base U
95 94 ralrimiva ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → ∀ y ∈ N inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y ∈ Base U
96 eqid ⊢ y ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y = y ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y
97 80 81 75 95 96 86 gsummptfif1o ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → ∑ U y ∈ N inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y = ∑ U y ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y ∘ p
98 f1of ⊢ p : N ⟶ 1-1 onto N → p : N ⟶ N
99 86 98 syl ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → p : N ⟶ N
100 99 ffvelcdmda ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ x ∈ N → p ⁡ x ∈ N
101 99 feqmptd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → p = x ∈ N ⟼ p ⁡ x
102 eqidd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → y ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y = y ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y
103 fveq2 ⊢ y = p ⁡ x → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ p ⁡ x
104 id ⊢ y = p ⁡ x → y = p ⁡ x
105 103 104 oveq12d ⊢ y = p ⁡ x → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y = inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ p ⁡ x M p ⁡ x
106 100 101 102 105 fmptco ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → y ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y ∘ p = x ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ p ⁡ x M p ⁡ x
107 71 ad2antlr ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ x ∈ N → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p = p -1
108 107 fveq1d ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ x ∈ N → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ p ⁡ x = p -1 ⁡ p ⁡ x
109 f1ocnvfv1 ⊢ p : N ⟶ 1-1 onto N ∧ x ∈ N → p -1 ⁡ p ⁡ x = x
110 86 109 sylan ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ x ∈ N → p -1 ⁡ p ⁡ x = x
111 108 110 eqtrd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ x ∈ N → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ p ⁡ x = x
112 111 oveq1d ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P ∧ x ∈ N → inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ p ⁡ x M p ⁡ x = x M p ⁡ x
113 112 mpteq2dva ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → x ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ p ⁡ x M p ⁡ x = x ∈ N ⟼ x M p ⁡ x
114 106 113 eqtrd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → y ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y ∘ p = x ∈ N ⟼ x M p ⁡ x
115 114 oveq2d ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → ∑ U y ∈ N ⟼ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y ∘ p = ∑ U x ∈ N x M p ⁡ x
116 97 115 eqtrd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → ∑ U y ∈ N inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y = ∑ U x ∈ N x M p ⁡ x
117 79 116 oveq12d ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B ∧ p ∈ P → Y ∘ S ⁡ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p · ˙ ∑ U y ∈ N inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y = Y ∘ S ⁡ p · ˙ ∑ U x ∈ N x M p ⁡ x
118 117 mpteq2dva ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → p ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p · ˙ ∑ U y ∈ N inv g ⁡ SymGrp ⁡ N ⁡ p ⁡ y M y = p ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ p · ˙ ∑ U x ∈ N x M p ⁡ x
119 70 118 eqtrd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → q ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y ∘ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N = p ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ p · ˙ ∑ U x ∈ N x M p ⁡ x
120 119 oveq2d ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → ∑ R q ∈ P ⟼ Y ∘ S ⁡ q · ˙ ∑ U y ∈ N q ⁡ y M y ∘ inv g ⁡ SymGrp ⁡ N = ∑ R p ∈ P Y ∘ S ⁡ p · ˙ ∑ U x ∈ N x M p ⁡ x
121 10 58 120 3eqtrd ⊢ R ∈ CRing ∧ M ∈ B → D ⁡ M = ∑ R p ∈ P Y ∘ S ⁡ p · ˙ ∑ U x ∈ N x M p ⁡ x