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Theorem polid2i 28861
Description: Generalized polarization identity. Generalization of Exercise 4(a) of [ReedSimon] p. 63. (Contributed by NM, 30-Jun-2005.) (New usage is discouraged.)
Hypotheses
Ref Expression
polid2.1 𝐴 ∈ ℋ
polid2.2 𝐵 ∈ ℋ
polid2.3 𝐶 ∈ ℋ
polid2.4 𝐷 ∈ ℋ
Assertion
Ref Expression
polid2i (𝐴 ·ih 𝐵) = (((((𝐴 + 𝐶) ·ih (𝐷 + 𝐵)) − ((𝐴 𝐶) ·ih (𝐷 𝐵))) + (i · (((𝐴 + (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 + (i · 𝐵))) − ((𝐴 (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 (i · 𝐵)))))) / 4)

Proof of Theorem polid2i
StepHypRef Expression
1 4cn 11710 . 2 4 ∈ ℂ
2 polid2.1 . . 3 𝐴 ∈ ℋ
3 polid2.2 . . 3 𝐵 ∈ ℋ
42, 3hicli 28785 . 2 (𝐴 ·ih 𝐵) ∈ ℂ
5 4ne0 11733 . 2 4 ≠ 0
6 2cn 11700 . . . 4 2 ∈ ℂ
7 polid2.3 . . . . . 6 𝐶 ∈ ℋ
8 polid2.4 . . . . . 6 𝐷 ∈ ℋ
97, 8hicli 28785 . . . . 5 (𝐶 ·ih 𝐷) ∈ ℂ
104, 9addcli 10635 . . . 4 ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)) ∈ ℂ
114, 9subcli 10950 . . . 4 ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷)) ∈ ℂ
126, 10, 11adddii 10641 . . 3 (2 · (((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷)))) = ((2 · ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷))) + (2 · ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷))))
13 ppncan 10916 . . . . . . 7 (((𝐴 ·ih 𝐵) ∈ ℂ ∧ (𝐶 ·ih 𝐷) ∈ ℂ ∧ (𝐴 ·ih 𝐵) ∈ ℂ) → (((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷))) = ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐴 ·ih 𝐵)))
144, 9, 4, 13mp3an 1452 . . . . . 6 (((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷))) = ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐴 ·ih 𝐵))
1542timesi 11763 . . . . . 6 (2 · (𝐴 ·ih 𝐵)) = ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐴 ·ih 𝐵))
1614, 15eqtr4i 2844 . . . . 5 (((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷))) = (2 · (𝐴 ·ih 𝐵))
1716oveq2i 7156 . . . 4 (2 · (((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷)))) = (2 · (2 · (𝐴 ·ih 𝐵)))
186, 6, 4mulassi 10640 . . . 4 ((2 · 2) · (𝐴 ·ih 𝐵)) = (2 · (2 · (𝐴 ·ih 𝐵)))
19 2t2e4 11789 . . . . 5 (2 · 2) = 4
2019oveq1i 7155 . . . 4 ((2 · 2) · (𝐴 ·ih 𝐵)) = (4 · (𝐴 ·ih 𝐵))
2117, 18, 203eqtr2ri 2848 . . 3 (4 · (𝐴 ·ih 𝐵)) = (2 · (((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷))))
222, 8hicli 28785 . . . . . . 7 (𝐴 ·ih 𝐷) ∈ ℂ
237, 3hicli 28785 . . . . . . 7 (𝐶 ·ih 𝐵) ∈ ℂ
2422, 23addcli 10635 . . . . . 6 ((𝐴 ·ih 𝐷) + (𝐶 ·ih 𝐵)) ∈ ℂ
2524, 10, 10pnncani 10969 . . . . 5 ((((𝐴 ·ih 𝐷) + (𝐶 ·ih 𝐵)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷))) − (((𝐴 ·ih 𝐷) + (𝐶 ·ih 𝐵)) − ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)))) = (((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)))
262, 7, 8, 3normlem8 28821 . . . . . 6 ((𝐴 + 𝐶) ·ih (𝐷 + 𝐵)) = (((𝐴 ·ih 𝐷) + (𝐶 ·ih 𝐵)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)))
272, 7, 8, 3normlem9 28822 . . . . . 6 ((𝐴 𝐶) ·ih (𝐷 𝐵)) = (((𝐴 ·ih 𝐷) + (𝐶 ·ih 𝐵)) − ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)))
2826, 27oveq12i 7157 . . . . 5 (((𝐴 + 𝐶) ·ih (𝐷 + 𝐵)) − ((𝐴 𝐶) ·ih (𝐷 𝐵))) = ((((𝐴 ·ih 𝐷) + (𝐶 ·ih 𝐵)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷))) − (((𝐴 ·ih 𝐷) + (𝐶 ·ih 𝐵)) − ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷))))
29102timesi 11763 . . . . 5 (2 · ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷))) = (((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)))
3025, 28, 293eqtr4i 2851 . . . 4 (((𝐴 + 𝐶) ·ih (𝐷 + 𝐵)) − ((𝐴 𝐶) ·ih (𝐷 𝐵))) = (2 · ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷)))
31 ax-icn 10584 . . . . . . . . . 10 i ∈ ℂ
3231, 7hvmulcli 28718 . . . . . . . . 9 (i · 𝐶) ∈ ℋ
3331, 3hvmulcli 28718 . . . . . . . . 9 (i · 𝐵) ∈ ℋ
342, 32, 8, 33normlem8 28821 . . . . . . . 8 ((𝐴 + (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 + (i · 𝐵))) = (((𝐴 ·ih 𝐷) + ((i · 𝐶) ·ih (i · 𝐵))) + ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)))
352, 32, 8, 33normlem9 28822 . . . . . . . 8 ((𝐴 (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 (i · 𝐵))) = (((𝐴 ·ih 𝐷) + ((i · 𝐶) ·ih (i · 𝐵))) − ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)))
3634, 35oveq12i 7157 . . . . . . 7 (((𝐴 + (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 + (i · 𝐵))) − ((𝐴 (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 (i · 𝐵)))) = ((((𝐴 ·ih 𝐷) + ((i · 𝐶) ·ih (i · 𝐵))) + ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷))) − (((𝐴 ·ih 𝐷) + ((i · 𝐶) ·ih (i · 𝐵))) − ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷))))
3732, 33hicli 28785 . . . . . . . . 9 ((i · 𝐶) ·ih (i · 𝐵)) ∈ ℂ
3822, 37addcli 10635 . . . . . . . 8 ((𝐴 ·ih 𝐷) + ((i · 𝐶) ·ih (i · 𝐵))) ∈ ℂ
392, 33hicli 28785 . . . . . . . . 9 (𝐴 ·ih (i · 𝐵)) ∈ ℂ
4032, 8hicli 28785 . . . . . . . . 9 ((i · 𝐶) ·ih 𝐷) ∈ ℂ
4139, 40addcli 10635 . . . . . . . 8 ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)) ∈ ℂ
4238, 41, 41pnncani 10969 . . . . . . 7 ((((𝐴 ·ih 𝐷) + ((i · 𝐶) ·ih (i · 𝐵))) + ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷))) − (((𝐴 ·ih 𝐷) + ((i · 𝐶) ·ih (i · 𝐵))) − ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)))) = (((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)))
43412timesi 11763 . . . . . . . 8 (2 · ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷))) = (((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)))
44 his5 28790 . . . . . . . . . . . 12 ((i ∈ ℂ ∧ 𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐵 ∈ ℋ) → (𝐴 ·ih (i · 𝐵)) = ((∗‘i) · (𝐴 ·ih 𝐵)))
4531, 2, 3, 44mp3an 1452 . . . . . . . . . . 11 (𝐴 ·ih (i · 𝐵)) = ((∗‘i) · (𝐴 ·ih 𝐵))
46 cji 14506 . . . . . . . . . . . 12 (∗‘i) = -i
4746oveq1i 7155 . . . . . . . . . . 11 ((∗‘i) · (𝐴 ·ih 𝐵)) = (-i · (𝐴 ·ih 𝐵))
4845, 47eqtri 2841 . . . . . . . . . 10 (𝐴 ·ih (i · 𝐵)) = (-i · (𝐴 ·ih 𝐵))
49 ax-his3 28788 . . . . . . . . . . 11 ((i ∈ ℂ ∧ 𝐶 ∈ ℋ ∧ 𝐷 ∈ ℋ) → ((i · 𝐶) ·ih 𝐷) = (i · (𝐶 ·ih 𝐷)))
5031, 7, 8, 49mp3an 1452 . . . . . . . . . 10 ((i · 𝐶) ·ih 𝐷) = (i · (𝐶 ·ih 𝐷))
5148, 50oveq12i 7157 . . . . . . . . 9 ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)) = ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷)))
5251oveq2i 7156 . . . . . . . 8 (2 · ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷))) = (2 · ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷))))
5343, 52eqtr3i 2843 . . . . . . 7 (((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷)) + ((𝐴 ·ih (i · 𝐵)) + ((i · 𝐶) ·ih 𝐷))) = (2 · ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷))))
5436, 42, 533eqtri 2845 . . . . . 6 (((𝐴 + (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 + (i · 𝐵))) − ((𝐴 (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 (i · 𝐵)))) = (2 · ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷))))
5554oveq2i 7156 . . . . 5 (i · (((𝐴 + (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 + (i · 𝐵))) − ((𝐴 (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 (i · 𝐵))))) = (i · (2 · ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷)))))
56 negicn 10875 . . . . . . . 8 -i ∈ ℂ
5756, 4mulcli 10636 . . . . . . 7 (-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) ∈ ℂ
5831, 9mulcli 10636 . . . . . . 7 (i · (𝐶 ·ih 𝐷)) ∈ ℂ
5957, 58addcli 10635 . . . . . 6 ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷))) ∈ ℂ
606, 31, 59mul12i 10823 . . . . 5 (2 · (i · ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷))))) = (i · (2 · ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷)))))
6131, 57, 58adddii 10641 . . . . . . 7 (i · ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷)))) = ((i · (-i · (𝐴 ·ih 𝐵))) + (i · (i · (𝐶 ·ih 𝐷))))
6231, 31mulneg2i 11075 . . . . . . . . . . 11 (i · -i) = -(i · i)
63 ixi 11257 . . . . . . . . . . . 12 (i · i) = -1
6463negeqi 10867 . . . . . . . . . . 11 -(i · i) = --1
65 negneg1e1 11743 . . . . . . . . . . 11 --1 = 1
6662, 64, 653eqtri 2845 . . . . . . . . . 10 (i · -i) = 1
6766oveq1i 7155 . . . . . . . . 9 ((i · -i) · (𝐴 ·ih 𝐵)) = (1 · (𝐴 ·ih 𝐵))
6831, 56, 4mulassi 10640 . . . . . . . . 9 ((i · -i) · (𝐴 ·ih 𝐵)) = (i · (-i · (𝐴 ·ih 𝐵)))
694mulid2i 10634 . . . . . . . . 9 (1 · (𝐴 ·ih 𝐵)) = (𝐴 ·ih 𝐵)
7067, 68, 693eqtr3i 2849 . . . . . . . 8 (i · (-i · (𝐴 ·ih 𝐵))) = (𝐴 ·ih 𝐵)
7163oveq1i 7155 . . . . . . . . 9 ((i · i) · (𝐶 ·ih 𝐷)) = (-1 · (𝐶 ·ih 𝐷))
7231, 31, 9mulassi 10640 . . . . . . . . 9 ((i · i) · (𝐶 ·ih 𝐷)) = (i · (i · (𝐶 ·ih 𝐷)))
739mulm1i 11073 . . . . . . . . 9 (-1 · (𝐶 ·ih 𝐷)) = -(𝐶 ·ih 𝐷)
7471, 72, 733eqtr3i 2849 . . . . . . . 8 (i · (i · (𝐶 ·ih 𝐷))) = -(𝐶 ·ih 𝐷)
7570, 74oveq12i 7157 . . . . . . 7 ((i · (-i · (𝐴 ·ih 𝐵))) + (i · (i · (𝐶 ·ih 𝐷)))) = ((𝐴 ·ih 𝐵) + -(𝐶 ·ih 𝐷))
764, 9negsubi 10952 . . . . . . 7 ((𝐴 ·ih 𝐵) + -(𝐶 ·ih 𝐷)) = ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷))
7761, 75, 763eqtri 2845 . . . . . 6 (i · ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷)))) = ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷))
7877oveq2i 7156 . . . . 5 (2 · (i · ((-i · (𝐴 ·ih 𝐵)) + (i · (𝐶 ·ih 𝐷))))) = (2 · ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷)))
7955, 60, 783eqtr2i 2847 . . . 4 (i · (((𝐴 + (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 + (i · 𝐵))) − ((𝐴 (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 (i · 𝐵))))) = (2 · ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷)))
8030, 79oveq12i 7157 . . 3 ((((𝐴 + 𝐶) ·ih (𝐷 + 𝐵)) − ((𝐴 𝐶) ·ih (𝐷 𝐵))) + (i · (((𝐴 + (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 + (i · 𝐵))) − ((𝐴 (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 (i · 𝐵)))))) = ((2 · ((𝐴 ·ih 𝐵) + (𝐶 ·ih 𝐷))) + (2 · ((𝐴 ·ih 𝐵) − (𝐶 ·ih 𝐷))))
8112, 21, 803eqtr4i 2851 . 2 (4 · (𝐴 ·ih 𝐵)) = ((((𝐴 + 𝐶) ·ih (𝐷 + 𝐵)) − ((𝐴 𝐶) ·ih (𝐷 𝐵))) + (i · (((𝐴 + (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 + (i · 𝐵))) − ((𝐴 (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 (i · 𝐵))))))
821, 4, 5, 81mvllmuli 11461 1 (𝐴 ·ih 𝐵) = (((((𝐴 + 𝐶) ·ih (𝐷 + 𝐵)) − ((𝐴 𝐶) ·ih (𝐷 𝐵))) + (i · (((𝐴 + (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 + (i · 𝐵))) − ((𝐴 (i · 𝐶)) ·ih (𝐷 (i · 𝐵)))))) / 4)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:   = wceq 1528  wcel 2105  cfv 6348  (class class class)co 7145  cc 10523  1c1 10526  ici 10527   + caddc 10528   · cmul 10530  cmin 10858  -cneg 10859   / cdiv 11285  2c2 11680  4c4 11682  ccj 14443  chba 28623   + cva 28624   · csm 28625   ·ih csp 28626   cmv 28629
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1787  ax-4 1801  ax-5 1902  ax-6 1961  ax-7 2006  ax-8 2107  ax-9 2115  ax-10 2136  ax-11 2151  ax-12 2167  ax-ext 2790  ax-sep 5194  ax-nul 5201  ax-pow 5257  ax-pr 5320  ax-un 7450  ax-resscn 10582  ax-1cn 10583  ax-icn 10584  ax-addcl 10585  ax-addrcl 10586  ax-mulcl 10587  ax-mulrcl 10588  ax-mulcom 10589  ax-addass 10590  ax-mulass 10591  ax-distr 10592  ax-i2m1 10593  ax-1ne0 10594  ax-1rid 10595  ax-rnegex 10596  ax-rrecex 10597  ax-cnre 10598  ax-pre-lttri 10599  ax-pre-lttrn 10600  ax-pre-ltadd 10601  ax-pre-mulgt0 10602  ax-hfvadd 28704  ax-hfvmul 28709  ax-hfi 28783  ax-his1 28786  ax-his2 28787  ax-his3 28788
This theorem depends on definitions:  df-bi 208  df-an 397  df-or 842  df-3or 1080  df-3an 1081  df-tru 1531  df-ex 1772  df-nf 1776  df-sb 2061  df-mo 2615  df-eu 2647  df-clab 2797  df-cleq 2811  df-clel 2890  df-nfc 2960  df-ne 3014  df-nel 3121  df-ral 3140  df-rex 3141  df-reu 3142  df-rmo 3143  df-rab 3144  df-v 3494  df-sbc 3770  df-csb 3881  df-dif 3936  df-un 3938  df-in 3940  df-ss 3949  df-nul 4289  df-if 4464  df-pw 4537  df-sn 4558  df-pr 4560  df-op 4564  df-uni 4831  df-iun 4912  df-br 5058  df-opab 5120  df-mpt 5138  df-id 5453  df-po 5467  df-so 5468  df-xp 5554  df-rel 5555  df-cnv 5556  df-co 5557  df-dm 5558  df-rn 5559  df-res 5560  df-ima 5561  df-iota 6307  df-fun 6350  df-fn 6351  df-f 6352  df-f1 6353  df-fo 6354  df-f1o 6355  df-fv 6356  df-riota 7103  df-ov 7148  df-oprab 7149  df-mpo 7150  df-er 8278  df-en 8498  df-dom 8499  df-sdom 8500  df-pnf 10665  df-mnf 10666  df-xr 10667  df-ltxr 10668  df-le 10669  df-sub 10860  df-neg 10861  df-div 11286  df-2 11688  df-3 11689  df-4 11690  df-cj 14446  df-re 14447  df-im 14448  df-hvsub 28675
This theorem is referenced by:  polidi  28862  lnopeq0lem1  29709  lnophmlem2  29721
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