Metamath Proof Explorer


Theorem ellspd

Description: The elements of the span of an indexed collection of basic vectors are those vectors which can be written as finite linear combinations of basic vectors. (Contributed by Stefan O'Rear, 7-Feb-2015) (Revised by AV, 24-Jun-2019) (Revised by AV, 11-Apr-2024)

Ref Expression
Hypotheses ellspd.n โŠข ๐‘ = ( LSpan โ€˜ ๐‘€ )
ellspd.v โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐‘€ )
ellspd.k โŠข ๐พ = ( Base โ€˜ ๐‘† )
ellspd.s โŠข ๐‘† = ( Scalar โ€˜ ๐‘€ )
ellspd.z โŠข 0 = ( 0g โ€˜ ๐‘† )
ellspd.t โŠข ยท = ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘€ )
ellspd.f โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น : ๐ผ โŸถ ๐ต )
ellspd.m โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ LMod )
ellspd.i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ผ โˆˆ ๐‘‰ )
Assertion ellspd ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ ( ๐‘ โ€˜ ( ๐น โ€œ ๐ผ ) ) โ†” โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) ( ๐‘“ finSupp 0 โˆง ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 ellspd.n โŠข ๐‘ = ( LSpan โ€˜ ๐‘€ )
2 ellspd.v โŠข ๐ต = ( Base โ€˜ ๐‘€ )
3 ellspd.k โŠข ๐พ = ( Base โ€˜ ๐‘† )
4 ellspd.s โŠข ๐‘† = ( Scalar โ€˜ ๐‘€ )
5 ellspd.z โŠข 0 = ( 0g โ€˜ ๐‘† )
6 ellspd.t โŠข ยท = ( ยท๐‘  โ€˜ ๐‘€ )
7 ellspd.f โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐น : ๐ผ โŸถ ๐ต )
8 ellspd.m โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘€ โˆˆ LMod )
9 ellspd.i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐ผ โˆˆ ๐‘‰ )
10 ffn โŠข ( ๐น : ๐ผ โŸถ ๐ต โ†’ ๐น Fn ๐ผ )
11 fnima โŠข ( ๐น Fn ๐ผ โ†’ ( ๐น โ€œ ๐ผ ) = ran ๐น )
12 7 10 11 3syl โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐น โ€œ ๐ผ ) = ran ๐น )
13 12 fveq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ โ€˜ ( ๐น โ€œ ๐ผ ) ) = ( ๐‘ โ€˜ ran ๐น ) )
14 eqid โŠข ( ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) โ†ฆ ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) = ( ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) โ†ฆ ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) )
15 14 rnmpt โŠข ran ( ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) โ†ฆ ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) = { ๐‘Ž โˆฃ โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘Ž = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) }
16 eqid โŠข ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) = ( ๐‘† freeLMod ๐ผ )
17 eqid โŠข ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) = ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) )
18 4 a1i โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ๐‘† = ( Scalar โ€˜ ๐‘€ ) )
19 16 17 2 6 14 8 9 18 7 1 frlmup3 โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ran ( ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) โ†ฆ ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) = ( ๐‘ โ€˜ ran ๐น ) )
20 15 19 eqtr3id โŠข ( ๐œ‘ โ†’ { ๐‘Ž โˆฃ โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘Ž = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) } = ( ๐‘ โ€˜ ran ๐น ) )
21 13 20 eqtr4d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘ โ€˜ ( ๐น โ€œ ๐ผ ) ) = { ๐‘Ž โˆฃ โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘Ž = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) } )
22 21 eleq2d โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ ( ๐‘ โ€˜ ( ๐น โ€œ ๐ผ ) ) โ†” ๐‘‹ โˆˆ { ๐‘Ž โˆฃ โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘Ž = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) } ) )
23 ovex โŠข ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โˆˆ V
24 eleq1 โŠข ( ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ V โ†” ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โˆˆ V ) )
25 23 24 mpbiri โŠข ( ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ V )
26 25 rexlimivw โŠข ( โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โ†’ ๐‘‹ โˆˆ V )
27 eqeq1 โŠข ( ๐‘Ž = ๐‘‹ โ†’ ( ๐‘Ž = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โ†” ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) )
28 27 rexbidv โŠข ( ๐‘Ž = ๐‘‹ โ†’ ( โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘Ž = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โ†” โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) )
29 26 28 elab3 โŠข ( ๐‘‹ โˆˆ { ๐‘Ž โˆฃ โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘Ž = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) } โ†” โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) )
30 4 fvexi โŠข ๐‘† โˆˆ V
31 eqid โŠข { ๐‘Ž โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) โˆฃ ๐‘Ž finSupp 0 } = { ๐‘Ž โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) โˆฃ ๐‘Ž finSupp 0 }
32 16 3 5 31 frlmbas โŠข ( ( ๐‘† โˆˆ V โˆง ๐ผ โˆˆ ๐‘‰ ) โ†’ { ๐‘Ž โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) โˆฃ ๐‘Ž finSupp 0 } = ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) )
33 30 9 32 sylancr โŠข ( ๐œ‘ โ†’ { ๐‘Ž โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) โˆฃ ๐‘Ž finSupp 0 } = ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) )
34 33 eqcomd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) = { ๐‘Ž โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) โˆฃ ๐‘Ž finSupp 0 } )
35 34 rexeqdv โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โ†” โˆƒ ๐‘“ โˆˆ { ๐‘Ž โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) โˆฃ ๐‘Ž finSupp 0 } ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) )
36 breq1 โŠข ( ๐‘Ž = ๐‘“ โ†’ ( ๐‘Ž finSupp 0 โ†” ๐‘“ finSupp 0 ) )
37 36 rexrab โŠข ( โˆƒ ๐‘“ โˆˆ { ๐‘Ž โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) โˆฃ ๐‘Ž finSupp 0 } ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โ†” โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) ( ๐‘“ finSupp 0 โˆง ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) )
38 35 37 bitrdi โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) โ†” โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) ( ๐‘“ finSupp 0 โˆง ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) ) )
39 29 38 bitrid โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ { ๐‘Ž โˆฃ โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( Base โ€˜ ( ๐‘† freeLMod ๐ผ ) ) ๐‘Ž = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) } โ†” โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) ( ๐‘“ finSupp 0 โˆง ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) ) )
40 22 39 bitrd โŠข ( ๐œ‘ โ†’ ( ๐‘‹ โˆˆ ( ๐‘ โ€˜ ( ๐น โ€œ ๐ผ ) ) โ†” โˆƒ ๐‘“ โˆˆ ( ๐พ โ†‘m ๐ผ ) ( ๐‘“ finSupp 0 โˆง ๐‘‹ = ( ๐‘€ ฮฃg ( ๐‘“ โˆ˜f ยท ๐น ) ) ) ) )