Metamath Proof Explorer


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 โŠข ๐ด โˆˆ โ„‹
eigpos.2 โŠข ๐ต โˆˆ โ„‚
Assertion eigposi ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ๐ต ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 eigpos.1 โŠข ๐ด โˆˆ โ„‹
2 eigpos.2 โŠข ๐ต โˆˆ โ„‚
3 oveq2 โŠข ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โ†’ ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) )
4 3 eleq1d โŠข ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โ†’ ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โ†” ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) โˆˆ โ„ ) )
5 2 1 hvmulcli โŠข ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆˆ โ„‹
6 hire โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โ†” ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) = ( ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ยทih ๐ด ) ) )
7 1 5 6 mp2an โŠข ( ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โ†” ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) = ( ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ยทih ๐ด ) )
8 oveq1 โŠข ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โ†’ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ยทih ๐ด ) = ( ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ยทih ๐ด ) )
9 3 8 eqeq12d โŠข ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โ†’ ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ยทih ๐ด ) โ†” ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) = ( ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ยทih ๐ด ) ) )
10 7 9 bitr4id โŠข ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โ†’ ( ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โ†” ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ยทih ๐ด ) ) )
11 4 10 bitrd โŠข ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โ†’ ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โ†” ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ยทih ๐ด ) ) )
12 11 adantr โŠข ( ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โ†” ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ยทih ๐ด ) ) )
13 1 2 eigrei โŠข ( ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ยทih ๐ด ) โ†” ๐ต โˆˆ โ„ ) )
14 12 13 bitrd โŠข ( ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โ†” ๐ต โˆˆ โ„ ) )
15 14 biimpac โŠข ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ๐ต โˆˆ โ„ )
16 15 adantlr โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ๐ต โˆˆ โ„ )
17 hiidrcl โŠข ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ๐ด ยทih ๐ด ) โˆˆ โ„ )
18 1 17 mp1i โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ( ๐ด ยทih ๐ด ) โˆˆ โ„ )
19 ax-his4 โŠข ( ( ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) โ†’ 0 < ( ๐ด ยทih ๐ด ) )
20 1 19 mpan โŠข ( ๐ด โ‰  0โ„Ž โ†’ 0 < ( ๐ด ยทih ๐ด ) )
21 20 ad2antll โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ 0 < ( ๐ด ยทih ๐ด ) )
22 18 21 elrpd โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ( ๐ด ยทih ๐ด ) โˆˆ โ„+ )
23 simplr โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) )
24 3 ad2antrl โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) )
25 his5 โŠข ( ( ๐ต โˆˆ โ„‚ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‹ โˆง ๐ด โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) = ( ( โˆ— โ€˜ ๐ต ) ยท ( ๐ด ยทih ๐ด ) ) )
26 2 1 1 25 mp3an โŠข ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) = ( ( โˆ— โ€˜ ๐ต ) ยท ( ๐ด ยทih ๐ด ) )
27 16 cjred โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ( โˆ— โ€˜ ๐ต ) = ๐ต )
28 27 oveq1d โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ( ( โˆ— โ€˜ ๐ต ) ยท ( ๐ด ยทih ๐ด ) ) = ( ๐ต ยท ( ๐ด ยทih ๐ด ) ) )
29 26 28 eqtrid โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ( ๐ด ยทih ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) ) = ( ๐ต ยท ( ๐ด ยทih ๐ด ) ) )
30 24 29 eqtrd โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) = ( ๐ต ยท ( ๐ด ยทih ๐ด ) ) )
31 23 30 breqtrd โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ 0 โ‰ค ( ๐ต ยท ( ๐ด ยทih ๐ด ) ) )
32 16 22 31 prodge0ld โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ 0 โ‰ค ๐ต )
33 16 32 jca โŠข ( ( ( ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ( ๐ด ยทih ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) ) ) โˆง ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐ด ) = ( ๐ต ยทโ„Ž ๐ด ) โˆง ๐ด โ‰  0โ„Ž ) ) โ†’ ( ๐ต โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค ๐ต ) )