Metamath Proof Explorer


Theorem nmcfnexi

Description: The norm of a continuous linear Hilbert space functional exists. Theorem 3.5(i) of Beran p. 99. (Contributed by NM, 14-Feb-2006) (Proof shortened by Mario Carneiro, 17-Nov-2013) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses nmcfnex.1 โŠข ๐‘‡ โˆˆ LinFn
nmcfnex.2 โŠข ๐‘‡ โˆˆ ContFn
Assertion nmcfnexi ( normfn โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nmcfnex.1 โŠข ๐‘‡ โˆˆ LinFn
2 nmcfnex.2 โŠข ๐‘‡ โˆˆ ContFn
3 ax-hv0cl โŠข 0โ„Ž โˆˆ โ„‹
4 1rp โŠข 1 โˆˆ โ„+
5 cnfnc โŠข ( ( ๐‘‡ โˆˆ ContFn โˆง 0โ„Ž โˆˆ โ„‹ โˆง 1 โˆˆ โ„+ ) โ†’ โˆƒ ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ โˆ€ ๐‘ง โˆˆ โ„‹ ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘ง โˆ’โ„Ž 0โ„Ž ) ) < ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) ) < 1 ) )
6 2 3 4 5 mp3an โŠข โˆƒ ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ โˆ€ ๐‘ง โˆˆ โ„‹ ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘ง โˆ’โ„Ž 0โ„Ž ) ) < ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) ) < 1 )
7 hvsub0 โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ๐‘ง โˆ’โ„Ž 0โ„Ž ) = ๐‘ง )
8 7 fveq2d โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„‹ โ†’ ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘ง โˆ’โ„Ž 0โ„Ž ) ) = ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ง ) )
9 8 breq1d โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘ง โˆ’โ„Ž 0โ„Ž ) ) < ๐‘ฆ โ†” ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ง ) < ๐‘ฆ ) )
10 1 lnfn0i โŠข ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) = 0
11 10 oveq2i โŠข ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) = ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ 0 )
12 1 lnfnfi โŠข ๐‘‡ : โ„‹ โŸถ โ„‚
13 12 ffvelcdmi โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆˆ โ„‚ )
14 13 subid1d โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ 0 ) = ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) )
15 11 14 eqtrid โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) = ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) )
16 15 fveq2d โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„‹ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) ) )
17 16 breq1d โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( abs โ€˜ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) ) < 1 โ†” ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) ) < 1 ) )
18 9 17 imbi12d โŠข ( ๐‘ง โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘ง โˆ’โ„Ž 0โ„Ž ) ) < ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) ) < 1 ) โ†” ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ง ) < ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) ) < 1 ) ) )
19 18 ralbiia โŠข ( โˆ€ ๐‘ง โˆˆ โ„‹ ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘ง โˆ’โ„Ž 0โ„Ž ) ) < ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) ) < 1 ) โ†” โˆ€ ๐‘ง โˆˆ โ„‹ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ง ) < ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) ) < 1 ) )
20 19 rexbii โŠข ( โˆƒ ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ โˆ€ ๐‘ง โˆˆ โ„‹ ( ( normโ„Ž โ€˜ ( ๐‘ง โˆ’โ„Ž 0โ„Ž ) ) < ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) โˆ’ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) ) < 1 ) โ†” โˆƒ ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ โˆ€ ๐‘ง โˆˆ โ„‹ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ง ) < ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) ) < 1 ) )
21 6 20 mpbi โŠข โˆƒ ๐‘ฆ โˆˆ โ„+ โˆ€ ๐‘ง โˆˆ โ„‹ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ง ) < ๐‘ฆ โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ง ) ) < 1 )
22 nmfnval โŠข ( ๐‘‡ : โ„‹ โŸถ โ„‚ โ†’ ( normfn โ€˜ ๐‘‡ ) = sup ( { ๐‘š โˆฃ โˆƒ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โ‰ค 1 โˆง ๐‘š = ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) } , โ„* , < ) )
23 12 22 ax-mp โŠข ( normfn โ€˜ ๐‘‡ ) = sup ( { ๐‘š โˆฃ โˆƒ ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ( ( normโ„Ž โ€˜ ๐‘ฅ ) โ‰ค 1 โˆง ๐‘š = ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) } , โ„* , < )
24 12 ffvelcdmi โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ )
25 24 abscld โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) โˆˆ โ„ )
26 10 fveq2i โŠข ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) = ( abs โ€˜ 0 )
27 abs0 โŠข ( abs โ€˜ 0 ) = 0
28 26 27 eqtri โŠข ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ 0โ„Ž ) ) = 0
29 rpcn โŠข ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โ†’ ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„‚ )
30 1 lnfnmuli โŠข ( ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„‚ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) = ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยท ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
31 29 30 sylan โŠข ( ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) = ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยท ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) )
32 31 fveq2d โŠข ( ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) ) = ( abs โ€˜ ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยท ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) )
33 absmul โŠข ( ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„‚ โˆง ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) โˆˆ โ„‚ ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยท ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) = ( ( abs โ€˜ ( ๐‘ฆ / 2 ) ) ยท ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) )
34 29 24 33 syl2an โŠข ( ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยท ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) = ( ( abs โ€˜ ( ๐‘ฆ / 2 ) ) ยท ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) )
35 rpre โŠข ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โ†’ ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„ )
36 rpge0 โŠข ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โ†’ 0 โ‰ค ( ๐‘ฆ / 2 ) )
37 35 36 absidd โŠข ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘ฆ / 2 ) ) = ( ๐‘ฆ / 2 ) )
38 37 adantr โŠข ( ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( abs โ€˜ ( ๐‘ฆ / 2 ) ) = ( ๐‘ฆ / 2 ) )
39 38 oveq1d โŠข ( ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( abs โ€˜ ( ๐‘ฆ / 2 ) ) ยท ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) = ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยท ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) )
40 32 34 39 3eqtrrd โŠข ( ( ( ๐‘ฆ / 2 ) โˆˆ โ„+ โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„‹ ) โ†’ ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยท ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ๐‘ฅ ) ) ) = ( abs โ€˜ ( ๐‘‡ โ€˜ ( ( ๐‘ฆ / 2 ) ยทโ„Ž ๐‘ฅ ) ) ) )
41 21 23 25 28 40 nmcexi โŠข ( normfn โ€˜ ๐‘‡ ) โˆˆ โ„