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Theorem eigposi

Description: A sufficient condition (first conjunct pair, that holds when T is a positive operator) for an eigenvalue B (second conjunct pair) to be nonnegative. Remark (ii) in Hughes p. 137. (Contributed by NM, 2-Jul-2005) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses eigpos.1 𝐴 ∈ ℋ
eigpos.2 𝐵 ∈ ℂ
Assertion eigposi ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → ( 𝐵 ∈ ℝ ∧ 0 ≤ 𝐵 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 eigpos.1 𝐴 ∈ ℋ
2 eigpos.2 𝐵 ∈ ℂ
3 oveq2 ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) → ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) = ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) )
4 3 eleq1d ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) → ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ↔ ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) ∈ ℝ ) )
5 2 1 hvmulcli ( 𝐵 · 𝐴 ) ∈ ℋ
6 hire ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ ( 𝐵 · 𝐴 ) ∈ ℋ ) → ( ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) ∈ ℝ ↔ ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) = ( ( 𝐵 · 𝐴 ) ·ih 𝐴 ) ) )
7 1 5 6 mp2an ( ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) ∈ ℝ ↔ ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) = ( ( 𝐵 · 𝐴 ) ·ih 𝐴 ) )
8 oveq1 ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) → ( ( 𝑇𝐴 ) ·ih 𝐴 ) = ( ( 𝐵 · 𝐴 ) ·ih 𝐴 ) )
9 3 8 eqeq12d ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) → ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) = ( ( 𝑇𝐴 ) ·ih 𝐴 ) ↔ ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) = ( ( 𝐵 · 𝐴 ) ·ih 𝐴 ) ) )
10 7 9 bitr4id ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) → ( ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) ∈ ℝ ↔ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) = ( ( 𝑇𝐴 ) ·ih 𝐴 ) ) )
11 4 10 bitrd ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) → ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ↔ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) = ( ( 𝑇𝐴 ) ·ih 𝐴 ) ) )
12 11 adantr ( ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ↔ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) = ( ( 𝑇𝐴 ) ·ih 𝐴 ) ) )
13 1 2 eigrei ( ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) = ( ( 𝑇𝐴 ) ·ih 𝐴 ) ↔ 𝐵 ∈ ℝ ) )
14 12 13 bitrd ( ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ↔ 𝐵 ∈ ℝ ) )
15 14 biimpac ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → 𝐵 ∈ ℝ )
16 15 adantlr ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → 𝐵 ∈ ℝ )
17 hiidrcl ( 𝐴 ∈ ℋ → ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) ∈ ℝ )
18 1 17 mp1i ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) ∈ ℝ )
19 ax-his4 ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → 0 < ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) )
20 1 19 mpan ( 𝐴 ≠ 0 → 0 < ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) )
21 20 ad2antll ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → 0 < ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) )
22 18 21 elrpd ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) ∈ ℝ+ )
23 simplr ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) )
24 3 ad2antrl ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) = ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) )
25 his5 ( ( 𝐵 ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ∈ ℋ ) → ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) = ( ( ∗ ‘ 𝐵 ) · ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) ) )
26 2 1 1 25 mp3an ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) = ( ( ∗ ‘ 𝐵 ) · ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) )
27 16 cjred ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → ( ∗ ‘ 𝐵 ) = 𝐵 )
28 27 oveq1d ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → ( ( ∗ ‘ 𝐵 ) · ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) ) = ( 𝐵 · ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) ) )
29 26 28 syl5eq ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → ( 𝐴 ·ih ( 𝐵 · 𝐴 ) ) = ( 𝐵 · ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) ) )
30 24 29 eqtrd ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) = ( 𝐵 · ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) ) )
31 23 30 breqtrd ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → 0 ≤ ( 𝐵 · ( 𝐴 ·ih 𝐴 ) ) )
32 16 22 31 prodge0ld ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → 0 ≤ 𝐵 )
33 16 32 jca ( ( ( ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ( 𝐴 ·ih ( 𝑇𝐴 ) ) ) ∧ ( ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝐵 · 𝐴 ) ∧ 𝐴 ≠ 0 ) ) → ( 𝐵 ∈ ℝ ∧ 0 ≤ 𝐵 ) )