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Theorem nmbdoplbi

Description: A lower bound for the norm of a bounded linear operator. (Contributed by NM, 14-Feb-2006) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypothesis nmbdoplb.1 𝑇 ∈ BndLinOp
Assertion nmbdoplbi ( 𝐴 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ≤ ( ( normop𝑇 ) · ( norm𝐴 ) ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nmbdoplb.1 𝑇 ∈ BndLinOp
2 fveq2 ( 𝐴 = 0 → ( 𝑇𝐴 ) = ( 𝑇 ‘ 0 ) )
3 2 fveq2d ( 𝐴 = 0 → ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) = ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ 0 ) ) )
4 fveq2 ( 𝐴 = 0 → ( norm𝐴 ) = ( norm ‘ 0 ) )
5 4 oveq2d ( 𝐴 = 0 → ( ( normop𝑇 ) · ( norm𝐴 ) ) = ( ( normop𝑇 ) · ( norm ‘ 0 ) ) )
6 3 5 breq12d ( 𝐴 = 0 → ( ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ≤ ( ( normop𝑇 ) · ( norm𝐴 ) ) ↔ ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ 0 ) ) ≤ ( ( normop𝑇 ) · ( norm ‘ 0 ) ) ) )
7 bdopln ( 𝑇 ∈ BndLinOp → 𝑇 ∈ LinOp )
8 1 7 ax-mp 𝑇 ∈ LinOp
9 8 lnopfi 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ
10 9 ffvelrni ( 𝐴 ∈ ℋ → ( 𝑇𝐴 ) ∈ ℋ )
11 normcl ( ( 𝑇𝐴 ) ∈ ℋ → ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ )
12 10 11 syl ( 𝐴 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ )
13 12 adantr ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ )
14 13 recnd ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℂ )
15 normcl ( 𝐴 ∈ ℋ → ( norm𝐴 ) ∈ ℝ )
16 15 adantr ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm𝐴 ) ∈ ℝ )
17 16 recnd ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm𝐴 ) ∈ ℂ )
18 normne0 ( 𝐴 ∈ ℋ → ( ( norm𝐴 ) ≠ 0 ↔ 𝐴 ≠ 0 ) )
19 18 biimpar ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm𝐴 ) ≠ 0 )
20 14 17 19 divrec2d ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) / ( norm𝐴 ) ) = ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ) )
21 16 19 rereccld ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ∈ ℝ )
22 21 recnd ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ∈ ℂ )
23 simpl ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → 𝐴 ∈ ℋ )
24 8 lnopmuli ( ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℋ ) → ( 𝑇 ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) = ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · ( 𝑇𝐴 ) ) )
25 22 23 24 syl2anc ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( 𝑇 ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) = ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · ( 𝑇𝐴 ) ) )
26 25 fveq2d ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ) = ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · ( 𝑇𝐴 ) ) ) )
27 10 adantr ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( 𝑇𝐴 ) ∈ ℋ )
28 norm-iii ( ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ∈ ℂ ∧ ( 𝑇𝐴 ) ∈ ℋ ) → ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · ( 𝑇𝐴 ) ) ) = ( ( abs ‘ ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ) · ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ) )
29 22 27 28 syl2anc ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · ( 𝑇𝐴 ) ) ) = ( ( abs ‘ ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ) · ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ) )
30 normgt0 ( 𝐴 ∈ ℋ → ( 𝐴 ≠ 0 ↔ 0 < ( norm𝐴 ) ) )
31 30 biimpa ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → 0 < ( norm𝐴 ) )
32 16 31 recgt0d ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → 0 < ( 1 / ( norm𝐴 ) ) )
33 0re 0 ∈ ℝ
34 ltle ( ( 0 ∈ ℝ ∧ ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ∈ ℝ ) → ( 0 < ( 1 / ( norm𝐴 ) ) → 0 ≤ ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ) )
35 33 34 mpan ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ∈ ℝ → ( 0 < ( 1 / ( norm𝐴 ) ) → 0 ≤ ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ) )
36 21 32 35 sylc ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → 0 ≤ ( 1 / ( norm𝐴 ) ) )
37 21 36 absidd ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( abs ‘ ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ) = ( 1 / ( norm𝐴 ) ) )
38 37 oveq1d ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( abs ‘ ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ) · ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ) = ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ) )
39 26 29 38 3eqtrrd ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ) = ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ) )
40 20 39 eqtrd ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) / ( norm𝐴 ) ) = ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ) )
41 hvmulcl ( ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℋ ) → ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ∈ ℋ )
42 22 23 41 syl2anc ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ∈ ℋ )
43 normcl ( ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ∈ ℋ → ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ∈ ℝ )
44 42 43 syl ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ∈ ℝ )
45 norm1 ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) = 1 )
46 eqle ( ( ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) = 1 ) → ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ≤ 1 )
47 44 45 46 syl2anc ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ≤ 1 )
48 nmoplb ( ( 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ ∧ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ∈ ℋ ∧ ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ≤ 1 ) → ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ) ≤ ( normop𝑇 ) )
49 9 48 mp3an1 ( ( ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ∈ ℋ ∧ ( norm ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ≤ 1 ) → ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ) ≤ ( normop𝑇 ) )
50 42 47 49 syl2anc ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ ( ( 1 / ( norm𝐴 ) ) · 𝐴 ) ) ) ≤ ( normop𝑇 ) )
51 40 50 eqbrtrd ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) / ( norm𝐴 ) ) ≤ ( normop𝑇 ) )
52 nmopre ( 𝑇 ∈ BndLinOp → ( normop𝑇 ) ∈ ℝ )
53 1 52 ax-mp ( normop𝑇 ) ∈ ℝ
54 53 a1i ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( normop𝑇 ) ∈ ℝ )
55 ledivmul2 ( ( ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ∈ ℝ ∧ ( normop𝑇 ) ∈ ℝ ∧ ( ( norm𝐴 ) ∈ ℝ ∧ 0 < ( norm𝐴 ) ) ) → ( ( ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) / ( norm𝐴 ) ) ≤ ( normop𝑇 ) ↔ ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ≤ ( ( normop𝑇 ) · ( norm𝐴 ) ) ) )
56 13 54 16 31 55 syl112anc ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( ( ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) / ( norm𝐴 ) ) ≤ ( normop𝑇 ) ↔ ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ≤ ( ( normop𝑇 ) · ( norm𝐴 ) ) ) )
57 51 56 mpbid ( ( 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐴 ≠ 0 ) → ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ≤ ( ( normop𝑇 ) · ( norm𝐴 ) ) )
58 0le0 0 ≤ 0
59 8 lnop0i ( 𝑇 ‘ 0 ) = 0
60 59 fveq2i ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ 0 ) ) = ( norm ‘ 0 )
61 norm0 ( norm ‘ 0 ) = 0
62 60 61 eqtri ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ 0 ) ) = 0
63 61 oveq2i ( ( normop𝑇 ) · ( norm ‘ 0 ) ) = ( ( normop𝑇 ) · 0 )
64 53 recni ( normop𝑇 ) ∈ ℂ
65 64 mul01i ( ( normop𝑇 ) · 0 ) = 0
66 63 65 eqtri ( ( normop𝑇 ) · ( norm ‘ 0 ) ) = 0
67 58 62 66 3brtr4i ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ 0 ) ) ≤ ( ( normop𝑇 ) · ( norm ‘ 0 ) )
68 67 a1i ( 𝐴 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( 𝑇 ‘ 0 ) ) ≤ ( ( normop𝑇 ) · ( norm ‘ 0 ) ) )
69 6 57 68 pm2.61ne ( 𝐴 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( 𝑇𝐴 ) ) ≤ ( ( normop𝑇 ) · ( norm𝐴 ) ) )