Metamath Proof Explorer


Definition df-chpmat

Description: Define the characteristic polynomial of a square matrix. According to Wikipedia ("Characteristic polynomial", 31-Jul-2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Characteristic_polynomial ): "The characteristic polynomial of [an n x n matrix] A, denoted by p_A(t), is the polynomial defined by p_A ( t ) = det ( t I - A ) where I denotes the n-by-n identity matrix.". In addition, however, the underlying ring must be commutative, see definition in Lang, p. 561: " Let k be a commutative ring ... Let M be any n x n matrix in k ... We define the characteristic polynomial P_M(t) to be the determinant det ( t I_n - M ) where I_n is the unit n x n matrix." To be more precise, the matrices A and I on the right hand side are matrices with coefficients of a polynomial ring. Therefore, the original matrix A over a given commutative ring must be transformed into corresponding matrices over the polynomial ring over the given ring. (Contributed by AV, 2-Aug-2019)

Ref Expression
Assertion df-chpmat CharPlyMat = ( ๐‘› โˆˆ Fin , ๐‘Ÿ โˆˆ V โ†ฆ ( ๐‘š โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘› Mat ๐‘Ÿ ) ) โ†ฆ ( ( ๐‘› maDet ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โ€˜ ( ( ( var1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ( ยท๐‘  โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( 1r โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ) ( -g โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( ( ๐‘› matToPolyMat ๐‘Ÿ ) โ€˜ ๐‘š ) ) ) ) )

Detailed syntax breakdown

Step Hyp Ref Expression
0 cchpmat โŠข CharPlyMat
1 vn โŠข ๐‘›
2 cfn โŠข Fin
3 vr โŠข ๐‘Ÿ
4 cvv โŠข V
5 vm โŠข ๐‘š
6 cbs โŠข Base
7 1 cv โŠข ๐‘›
8 cmat โŠข Mat
9 3 cv โŠข ๐‘Ÿ
10 7 9 8 co โŠข ( ๐‘› Mat ๐‘Ÿ )
11 10 6 cfv โŠข ( Base โ€˜ ( ๐‘› Mat ๐‘Ÿ ) )
12 cmdat โŠข maDet
13 cpl1 โŠข Poly1
14 9 13 cfv โŠข ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ )
15 7 14 12 co โŠข ( ๐‘› maDet ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) )
16 cv1 โŠข var1
17 9 16 cfv โŠข ( var1 โ€˜ ๐‘Ÿ )
18 cvsca โŠข ยท๐‘ 
19 7 14 8 co โŠข ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) )
20 19 18 cfv โŠข ( ยท๐‘  โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) )
21 cur โŠข 1r
22 19 21 cfv โŠข ( 1r โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) )
23 17 22 20 co โŠข ( ( var1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ( ยท๐‘  โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( 1r โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) )
24 csg โŠข -g
25 19 24 cfv โŠข ( -g โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) )
26 cmat2pmat โŠข matToPolyMat
27 7 9 26 co โŠข ( ๐‘› matToPolyMat ๐‘Ÿ )
28 5 cv โŠข ๐‘š
29 28 27 cfv โŠข ( ( ๐‘› matToPolyMat ๐‘Ÿ ) โ€˜ ๐‘š )
30 23 29 25 co โŠข ( ( ( var1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ( ยท๐‘  โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( 1r โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ) ( -g โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( ( ๐‘› matToPolyMat ๐‘Ÿ ) โ€˜ ๐‘š ) )
31 30 15 cfv โŠข ( ( ๐‘› maDet ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โ€˜ ( ( ( var1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ( ยท๐‘  โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( 1r โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ) ( -g โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( ( ๐‘› matToPolyMat ๐‘Ÿ ) โ€˜ ๐‘š ) ) )
32 5 11 31 cmpt โŠข ( ๐‘š โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘› Mat ๐‘Ÿ ) ) โ†ฆ ( ( ๐‘› maDet ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โ€˜ ( ( ( var1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ( ยท๐‘  โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( 1r โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ) ( -g โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( ( ๐‘› matToPolyMat ๐‘Ÿ ) โ€˜ ๐‘š ) ) ) )
33 1 3 2 4 32 cmpo โŠข ( ๐‘› โˆˆ Fin , ๐‘Ÿ โˆˆ V โ†ฆ ( ๐‘š โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘› Mat ๐‘Ÿ ) ) โ†ฆ ( ( ๐‘› maDet ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โ€˜ ( ( ( var1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ( ยท๐‘  โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( 1r โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ) ( -g โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( ( ๐‘› matToPolyMat ๐‘Ÿ ) โ€˜ ๐‘š ) ) ) ) )
34 0 33 wceq โŠข CharPlyMat = ( ๐‘› โˆˆ Fin , ๐‘Ÿ โˆˆ V โ†ฆ ( ๐‘š โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘› Mat ๐‘Ÿ ) ) โ†ฆ ( ( ๐‘› maDet ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) โ€˜ ( ( ( var1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ( ยท๐‘  โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( 1r โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ) ( -g โ€˜ ( ๐‘› Mat ( Poly1 โ€˜ ๐‘Ÿ ) ) ) ( ( ๐‘› matToPolyMat ๐‘Ÿ ) โ€˜ ๐‘š ) ) ) ) )