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Theorem unopf1o

Description: A unitary operator in Hilbert space is one-to-one and onto. (Contributed by NM, 22-Jan-2006) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Assertion unopf1o T UniOp T : 1-1 onto

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 elunop T UniOp T : onto x y T x ih T y = x ih y
2 1 simplbi T UniOp T : onto
3 fof T : onto T :
4 2 3 syl T UniOp T :
5 unop T UniOp x x T x ih T x = x ih x
6 5 3anidm23 T UniOp x T x ih T x = x ih x
7 6 3adant3 T UniOp x y T x ih T x = x ih x
8 unop T UniOp y y T y ih T y = y ih y
9 8 3anidm23 T UniOp y T y ih T y = y ih y
10 9 3adant2 T UniOp x y T y ih T y = y ih y
11 7 10 oveq12d T UniOp x y T x ih T x + T y ih T y = x ih x + y ih y
12 unop T UniOp x y T x ih T y = x ih y
13 unop T UniOp y x T y ih T x = y ih x
14 13 3com23 T UniOp x y T y ih T x = y ih x
15 12 14 oveq12d T UniOp x y T x ih T y + T y ih T x = x ih y + y ih x
16 11 15 oveq12d T UniOp x y T x ih T x + T y ih T y - T x ih T y + T y ih T x = x ih x + y ih y - x ih y + y ih x
17 16 3expb T UniOp x y T x ih T x + T y ih T y - T x ih T y + T y ih T x = x ih x + y ih y - x ih y + y ih x
18 ffvelrn T : x T x
19 ffvelrn T : y T y
20 18 19 anim12dan T : x y T x T y
21 4 20 sylan T UniOp x y T x T y
22 normlem9at T x T y T x - T y ih T x - T y = T x ih T x + T y ih T y - T x ih T y + T y ih T x
23 21 22 syl T UniOp x y T x - T y ih T x - T y = T x ih T x + T y ih T y - T x ih T y + T y ih T x
24 normlem9at x y x - y ih x - y = x ih x + y ih y - x ih y + y ih x
25 24 adantl T UniOp x y x - y ih x - y = x ih x + y ih y - x ih y + y ih x
26 17 23 25 3eqtr4rd T UniOp x y x - y ih x - y = T x - T y ih T x - T y
27 26 eqeq1d T UniOp x y x - y ih x - y = 0 T x - T y ih T x - T y = 0
28 hvsubcl x y x - y
29 his6 x - y x - y ih x - y = 0 x - y = 0
30 28 29 syl x y x - y ih x - y = 0 x - y = 0
31 hvsubeq0 x y x - y = 0 x = y
32 30 31 bitrd x y x - y ih x - y = 0 x = y
33 32 adantl T UniOp x y x - y ih x - y = 0 x = y
34 hvsubcl T x T y T x - T y
35 his6 T x - T y T x - T y ih T x - T y = 0 T x - T y = 0
36 34 35 syl T x T y T x - T y ih T x - T y = 0 T x - T y = 0
37 hvsubeq0 T x T y T x - T y = 0 T x = T y
38 36 37 bitrd T x T y T x - T y ih T x - T y = 0 T x = T y
39 21 38 syl T UniOp x y T x - T y ih T x - T y = 0 T x = T y
40 27 33 39 3bitr3rd T UniOp x y T x = T y x = y
41 40 biimpd T UniOp x y T x = T y x = y
42 41 ralrimivva T UniOp x y T x = T y x = y
43 dff13 T : 1-1 T : x y T x = T y x = y
44 4 42 43 sylanbrc T UniOp T : 1-1
45 df-f1o T : 1-1 onto T : 1-1 T : onto
46 44 2 45 sylanbrc T UniOp T : 1-1 onto