Metamath Proof Explorer


Theorem nlelchi

Description: The null space of a continuous linear functional is a closed subspace. Remark 3.8 of Beran p. 103. (Contributed by NM, 11-Feb-2006) (Proof shortened by Mario Carneiro, 19-May-2014) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses nlelch.1 โŠข ๐‘‡ โˆˆ LinFn
nlelch.2 โŠข ๐‘‡ โˆˆ ContFn
Assertion nlelchi ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ Cโ„‹

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nlelch.1 โŠข ๐‘‡ โˆˆ LinFn
2 nlelch.2 โŠข ๐‘‡ โˆˆ ContFn
3 1 nlelshi โŠข ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ Sโ„‹
4 vex โŠข ๐‘ฅ โˆˆ V
5 4 hlimveci โŠข ( ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ )
6 5 adantl โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ )
7 eqid โŠข ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) = ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld )
8 7 cnfldhaus โŠข ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Haus
9 8 a1i โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ Haus )
10 eqid โŠข โŸจ โŸจ +โ„Ž , ยทโ„Ž โŸฉ , normโ„Ž โŸฉ = โŸจ โŸจ +โ„Ž , ยทโ„Ž โŸฉ , normโ„Ž โŸฉ
11 eqid โŠข ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) = ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž )
12 10 11 hhims โŠข ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) = ( IndMet โ€˜ โŸจ โŸจ +โ„Ž , ยทโ„Ž โŸฉ , normโ„Ž โŸฉ )
13 eqid โŠข ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) = ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) )
14 10 12 13 hhlm โŠข โ‡๐‘ฃ = ( ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) ) โ†พ ( โ„‹ โ†‘m โ„• ) )
15 resss โŠข ( ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) ) โ†พ ( โ„‹ โ†‘m โ„• ) ) โІ ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) )
16 14 15 eqsstri โŠข โ‡๐‘ฃ โІ ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) )
17 16 ssbri โŠข ( ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ โ†’ ๐‘“ ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) ) ๐‘ฅ )
18 17 adantl โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ๐‘“ ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) ) ๐‘ฅ )
19 11 13 7 hhcnf โŠข ContFn = ( ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) Cn ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) )
20 2 19 eleqtri โŠข ๐‘‡ โˆˆ ( ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) Cn ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) )
21 20 a1i โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ๐‘‡ โˆˆ ( ( MetOpen โ€˜ ( normโ„Ž โˆ˜ โˆ’โ„Ž ) ) Cn ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) ) )
22 18 21 lmcn โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) ) ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) )
23 1 lnfnfi โŠข ๐‘‡ : โ„‹ โŸถ โ„‚
24 ffvelcdm โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) )
25 24 adantlr โŠข ( ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) )
26 elnlfn2 โŠข ( ( ๐‘‡ : โ„‹ โŸถ โ„‚ โˆง ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) โˆˆ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) ) โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) ) = 0 )
27 23 25 26 sylancr โŠข ( ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) ) = 0 )
28 fvco3 โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) โ€˜ ๐‘› ) = ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) ) )
29 28 adantlr โŠข ( ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) โ€˜ ๐‘› ) = ( ๐‘‡ โ€˜ ( ๐‘“ โ€˜ ๐‘› ) ) )
30 c0ex โŠข 0 โˆˆ V
31 30 fvconst2 โŠข ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†’ ( ( โ„• ร— { 0 } ) โ€˜ ๐‘› ) = 0 )
32 31 adantl โŠข ( ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( โ„• ร— { 0 } ) โ€˜ ๐‘› ) = 0 )
33 27 29 32 3eqtr4d โŠข ( ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โˆง ๐‘› โˆˆ โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) โ€˜ ๐‘› ) = ( ( โ„• ร— { 0 } ) โ€˜ ๐‘› ) )
34 33 ralrimiva โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ โˆ€ ๐‘› โˆˆ โ„• ( ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) โ€˜ ๐‘› ) = ( ( โ„• ร— { 0 } ) โ€˜ ๐‘› ) )
35 ffn โŠข ( ๐‘‡ : โ„‹ โŸถ โ„‚ โ†’ ๐‘‡ Fn โ„‹ )
36 23 35 ax-mp โŠข ๐‘‡ Fn โ„‹
37 simpl โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) )
38 3 shssii โŠข ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โІ โ„‹
39 fss โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โІ โ„‹ ) โ†’ ๐‘“ : โ„• โŸถ โ„‹ )
40 37 38 39 sylancl โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ๐‘“ : โ„• โŸถ โ„‹ )
41 fnfco โŠข ( ( ๐‘‡ Fn โ„‹ โˆง ๐‘“ : โ„• โŸถ โ„‹ ) โ†’ ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) Fn โ„• )
42 36 40 41 sylancr โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) Fn โ„• )
43 30 fconst โŠข ( โ„• ร— { 0 } ) : โ„• โŸถ { 0 }
44 ffn โŠข ( ( โ„• ร— { 0 } ) : โ„• โŸถ { 0 } โ†’ ( โ„• ร— { 0 } ) Fn โ„• )
45 43 44 ax-mp โŠข ( โ„• ร— { 0 } ) Fn โ„•
46 eqfnfv โŠข ( ( ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) Fn โ„• โˆง ( โ„• ร— { 0 } ) Fn โ„• ) โ†’ ( ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) = ( โ„• ร— { 0 } ) โ†” โˆ€ ๐‘› โˆˆ โ„• ( ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) โ€˜ ๐‘› ) = ( ( โ„• ร— { 0 } ) โ€˜ ๐‘› ) ) )
47 42 45 46 sylancl โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ( ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) = ( โ„• ร— { 0 } ) โ†” โˆ€ ๐‘› โˆˆ โ„• ( ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) โ€˜ ๐‘› ) = ( ( โ„• ร— { 0 } ) โ€˜ ๐‘› ) ) )
48 34 47 mpbird โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) = ( โ„• ร— { 0 } ) )
49 7 cnfldtopon โŠข ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ ( TopOn โ€˜ โ„‚ )
50 49 a1i โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ ( TopOn โ€˜ โ„‚ ) )
51 0cnd โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ 0 โˆˆ โ„‚ )
52 1zzd โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ 1 โˆˆ โ„ค )
53 nnuz โŠข โ„• = ( โ„คโ‰ฅ โ€˜ 1 )
54 53 lmconst โŠข ( ( ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) โˆˆ ( TopOn โ€˜ โ„‚ ) โˆง 0 โˆˆ โ„‚ โˆง 1 โˆˆ โ„ค ) โ†’ ( โ„• ร— { 0 } ) ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) ) 0 )
55 50 51 52 54 syl3anc โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ( โ„• ร— { 0 } ) ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) ) 0 )
56 48 55 eqbrtrd โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ( ๐‘‡ โˆ˜ ๐‘“ ) ( โ‡๐‘ก โ€˜ ( TopOpen โ€˜ โ„‚fld ) ) 0 )
57 9 22 56 lmmo โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) = 0 )
58 elnlfn โŠข ( ๐‘‡ : โ„‹ โŸถ โ„‚ โ†’ ( ๐‘ฅ โˆˆ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โ†” ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โˆง ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) = 0 ) ) )
59 23 58 ax-mp โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โ†” ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โˆง ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) = 0 ) )
60 6 57 59 sylanbrc โŠข ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) )
61 60 gen2 โŠข โˆ€ ๐‘“ โˆ€ ๐‘ฅ ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) )
62 isch2 โŠข ( ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ Cโ„‹ โ†” ( ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ Sโ„‹ โˆง โˆ€ ๐‘“ โˆ€ ๐‘ฅ ( ( ๐‘“ : โ„• โŸถ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆง ๐‘“ โ‡๐‘ฃ ๐‘ฅ ) โ†’ ๐‘ฅ โˆˆ ( null โ€˜ ๐‘‡ ) ) ) )
63 3 61 62 mpbir2an โŠข ( null โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ Cโ„‹