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Theorem nmoptrii

Description: Triangle inequality for the norms of bounded linear operators. (Contributed by NM, 10-Mar-2006) (New usage is discouraged.)

Ref Expression
Hypotheses nmoptri.1 𝑆 ∈ BndLinOp
nmoptri.2 𝑇 ∈ BndLinOp
Assertion nmoptrii ( normop ‘ ( 𝑆 +op 𝑇 ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 nmoptri.1 𝑆 ∈ BndLinOp
2 nmoptri.2 𝑇 ∈ BndLinOp
3 bdopf ( 𝑆 ∈ BndLinOp → 𝑆 : ℋ ⟶ ℋ )
4 1 3 ax-mp 𝑆 : ℋ ⟶ ℋ
5 bdopf ( 𝑇 ∈ BndLinOp → 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ )
6 2 5 ax-mp 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ
7 4 6 hoaddcli ( 𝑆 +op 𝑇 ) : ℋ ⟶ ℋ
8 nmopre ( 𝑆 ∈ BndLinOp → ( normop𝑆 ) ∈ ℝ )
9 1 8 ax-mp ( normop𝑆 ) ∈ ℝ
10 nmopre ( 𝑇 ∈ BndLinOp → ( normop𝑇 ) ∈ ℝ )
11 2 10 ax-mp ( normop𝑇 ) ∈ ℝ
12 9 11 readdcli ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ∈ ℝ
13 12 rexri ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ∈ ℝ*
14 nmopub ( ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) : ℋ ⟶ ℋ ∧ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ∈ ℝ* ) → ( ( normop ‘ ( 𝑆 +op 𝑇 ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ↔ ∀ 𝑥 ∈ ℋ ( ( norm𝑥 ) ≤ 1 → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ) ) )
15 7 13 14 mp2an ( ( normop ‘ ( 𝑆 +op 𝑇 ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ↔ ∀ 𝑥 ∈ ℋ ( ( norm𝑥 ) ≤ 1 → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ) )
16 4 6 hoscli ( 𝑥 ∈ ℋ → ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ∈ ℋ )
17 normcl ( ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ∈ ℋ → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) ∈ ℝ )
18 16 17 syl ( 𝑥 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) ∈ ℝ )
19 18 adantr ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) ∈ ℝ )
20 4 ffvelrni ( 𝑥 ∈ ℋ → ( 𝑆𝑥 ) ∈ ℋ )
21 normcl ( ( 𝑆𝑥 ) ∈ ℋ → ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ∈ ℝ )
22 20 21 syl ( 𝑥 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ∈ ℝ )
23 6 ffvelrni ( 𝑥 ∈ ℋ → ( 𝑇𝑥 ) ∈ ℋ )
24 normcl ( ( 𝑇𝑥 ) ∈ ℋ → ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ∈ ℝ )
25 23 24 syl ( 𝑥 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ∈ ℝ )
26 22 25 readdcld ( 𝑥 ∈ ℋ → ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) ∈ ℝ )
27 26 adantr ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) ∈ ℝ )
28 12 a1i ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ∈ ℝ )
29 hosval ( ( 𝑆 : ℋ ⟶ ℋ ∧ 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ ∧ 𝑥 ∈ ℋ ) → ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) = ( ( 𝑆𝑥 ) + ( 𝑇𝑥 ) ) )
30 4 6 29 mp3an12 ( 𝑥 ∈ ℋ → ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) = ( ( 𝑆𝑥 ) + ( 𝑇𝑥 ) ) )
31 30 fveq2d ( 𝑥 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) = ( norm ‘ ( ( 𝑆𝑥 ) + ( 𝑇𝑥 ) ) ) )
32 norm-ii ( ( ( 𝑆𝑥 ) ∈ ℋ ∧ ( 𝑇𝑥 ) ∈ ℋ ) → ( norm ‘ ( ( 𝑆𝑥 ) + ( 𝑇𝑥 ) ) ) ≤ ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) )
33 20 23 32 syl2anc ( 𝑥 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( ( 𝑆𝑥 ) + ( 𝑇𝑥 ) ) ) ≤ ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) )
34 31 33 eqbrtrd ( 𝑥 ∈ ℋ → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) ≤ ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) )
35 34 adantr ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) ≤ ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) )
36 nmoplb ( ( 𝑆 : ℋ ⟶ ℋ ∧ 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑆 ) )
37 4 36 mp3an1 ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑆 ) )
38 nmoplb ( ( 𝑇 : ℋ ⟶ ℋ ∧ 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑇 ) )
39 6 38 mp3an1 ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑇 ) )
40 le2add ( ( ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ∈ ℝ ∧ ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ∈ ℝ ) ∧ ( ( normop𝑆 ) ∈ ℝ ∧ ( normop𝑇 ) ∈ ℝ ) ) → ( ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑆 ) ∧ ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑇 ) ) → ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ) )
41 9 11 40 mpanr12 ( ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ∈ ℝ ∧ ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ∈ ℝ ) → ( ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑆 ) ∧ ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑇 ) ) → ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ) )
42 22 25 41 syl2anc ( 𝑥 ∈ ℋ → ( ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑆 ) ∧ ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑇 ) ) → ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ) )
43 42 adantr ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑆 ) ∧ ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ≤ ( normop𝑇 ) ) → ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ) )
44 37 39 43 mp2and ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( ( norm ‘ ( 𝑆𝑥 ) ) + ( norm ‘ ( 𝑇𝑥 ) ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) )
45 19 27 28 35 44 letrd ( ( 𝑥 ∈ ℋ ∧ ( norm𝑥 ) ≤ 1 ) → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) )
46 45 ex ( 𝑥 ∈ ℋ → ( ( norm𝑥 ) ≤ 1 → ( norm ‘ ( ( 𝑆 +op 𝑇 ) ‘ 𝑥 ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) ) ) )
47 15 46 mprgbir ( normop ‘ ( 𝑆 +op 𝑇 ) ) ≤ ( ( normop𝑆 ) + ( normop𝑇 ) )