Theorem cayleyhamilton 21947

Description: The Cayley-Hamilton theorem: A matrix over a commutative ring "satisfies its own characteristic equation", see theorem 7.8 in [Roman] p. 170 (without proof!), or theorem 3.1 in [Lang] p. 561. In other words, a matrix over a commutative ring "inserted" into its characteristic polynomial results in zero. This is Metamath 100 proof #49. (Contributed by Alexander van der Vekens, 25-Nov-2019.)

Hypotheses

Ref	Expression
cayleyhamilton.a	⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅)
cayleyhamilton.b	⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴)
cayleyhamilton.0	⊢ 0 = (0g‘𝐴)
cayleyhamilton.c	⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅)
cayleyhamilton.k	⊢ 𝐾 = (coe1‘(𝐶‘𝑀))
cayleyhamilton.m	⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴)
cayleyhamilton.e	⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐴))

Assertion

Ref	Expression
cayleyhamilton	⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐾‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = 0 )

Distinct variable groups:   𝐴,𝑛   𝐵,𝑛   𝐶,𝑛   𝑛,𝑀   𝑛,𝑁   𝑅,𝑛   ∗ ,𝑛   ↑ ,𝑛

Allowed substitution hints:   𝐾(𝑛)   0 (𝑛)

Proof of Theorem cayleyhamilton

Dummy variables 𝑥 𝑦 𝑙 are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		cayleyhamilton.a	. 2 ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅)
2		cayleyhamilton.b	. 2 ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴)
3		cayleyhamilton.0	. 2 ⊢ 0 = (0g‘𝐴)
4		eqid 2738	. 2 ⊢ (1r‘𝐴) = (1r‘𝐴)
5		cayleyhamilton.m	. 2 ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴)
6		cayleyhamilton.e	. 2 ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐴))
7		cayleyhamilton.c	. 2 ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅)
8		cayleyhamilton.k	. 2 ⊢ 𝐾 = (coe1‘(𝐶‘𝑀))
9		eqid 2738	. 2 ⊢ (Poly1‘𝑅) = (Poly1‘𝑅)
10		eqid 2738	. 2 ⊢ (𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)) = (𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))
11		eqid 2738	. 2 ⊢ (.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
12		eqid 2738	. 2 ⊢ (-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
13		eqid 2738	. 2 ⊢ (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
14		eqid 2738	. 2 ⊢ (Base‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (Base‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
15		eqid 2738	. 2 ⊢ (.g‘(mulGrp‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))) = (.g‘(mulGrp‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))))
16		eqid 2738	. 2 ⊢ (𝑁 matToPolyMat 𝑅) = (𝑁 matToPolyMat 𝑅)
17		eqeq1 2742	. . . 4 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑙 = 0 ↔ 𝑛 = 0))
18		eqeq1 2742	. . . . 5 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑙 = (𝑥 + 1) ↔ 𝑛 = (𝑥 + 1)))
19		breq2 5074	. . . . . 6 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑥 + 1) < 𝑙 ↔ (𝑥 + 1) < 𝑛))
20		fvoveq1 7278	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑦‘(𝑙 − 1)) = (𝑦‘(𝑛 − 1)))
21	20	fveq2d 6760	. . . . . . 7 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑙 − 1))) = ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑛 − 1))))
22		2fveq3 6761	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙)) = ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛)))
23	22	oveq2d 7271	. . . . . . 7 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙))) = (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛))))
24	21, 23	oveq12d 7273	. . . . . 6 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑙 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙)))) = (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑛 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛)))))
25	19, 24	ifbieq2d 4482	. . . . 5 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → if((𝑥 + 1) < 𝑙, (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))), (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑙 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙))))) = if((𝑥 + 1) < 𝑛, (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))), (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑛 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛))))))
26	18, 25	ifbieq2d 4482	. . . 4 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → if(𝑙 = (𝑥 + 1), ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑥)), if((𝑥 + 1) < 𝑙, (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))), (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑙 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙)))))) = if(𝑛 = (𝑥 + 1), ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑥)), if((𝑥 + 1) < 𝑛, (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))), (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑛 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛)))))))
27	17, 26	ifbieq2d 4482	. . 3 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → if(𝑙 = 0, ((0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘0)))), if(𝑙 = (𝑥 + 1), ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑥)), if((𝑥 + 1) < 𝑙, (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))), (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑙 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙))))))) = if(𝑛 = 0, ((0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘0)))), if(𝑛 = (𝑥 + 1), ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑥)), if((𝑥 + 1) < 𝑛, (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))), (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑛 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛))))))))
28	27	cbvmptv 5183	. 2 ⊢ (𝑙 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑙 = 0, ((0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘0)))), if(𝑙 = (𝑥 + 1), ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑥)), if((𝑥 + 1) < 𝑙, (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))), (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑙 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙)))))))) = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ((0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘0)))), if(𝑛 = (𝑥 + 1), ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑥)), if((𝑥 + 1) < 𝑛, (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))), (((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑛 − 1)))(-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))(((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘𝑀)(.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛))))))))
29		eqid 2738	. 2 ⊢ (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅)
30	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 28, 29	cayleyhamilton0 21946	1 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐾‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = 0 )

Syntax hints:   → wi 4   ∧ w3a 1085   = wceq 1539   ∈ wcel 2108  ifcif 4456   class class class wbr 5070   ↦ cmpt 5153  ‘cfv 6418  (class class class)co 7255  Fincfn 8691  0cc0 10802  1c1 10803   + caddc 10805   < clt 10940   − cmin 11135  ℕ₀cn0 12163  Basecbs 16840  ._rcmulr 16889   ·_𝑠 cvsca 16892  0_gc0g 17067   Σ_g cgsu 17068  -_gcsg 18494  ._gcmg 18615  mulGrpcmgp 19635  1_rcur 19652  CRingccrg 19699  Poly₁cpl1 21258  coe₁cco1 21259   Mat cmat 21464   matToPolyMat cmat2pmat 21761   cPolyMatToMat ccpmat2mat 21762   CharPlyMat cchpmat 21883

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1799  ax-4 1813  ax-5 1914  ax-6 1972  ax-7 2012  ax-8 2110  ax-9 2118  ax-10 2139  ax-11 2156  ax-12 2173  ax-ext 2709  ax-rep 5205  ax-sep 5218  ax-nul 5225  ax-pow 5283  ax-pr 5347  ax-un 7566  ax-cnex 10858  ax-resscn 10859  ax-1cn 10860  ax-icn 10861  ax-addcl 10862  ax-addrcl 10863  ax-mulcl 10864  ax-mulrcl 10865  ax-mulcom 10866  ax-addass 10867  ax-mulass 10868  ax-distr 10869  ax-i2m1 10870  ax-1ne0 10871  ax-1rid 10872  ax-rnegex 10873  ax-rrecex 10874  ax-cnre 10875  ax-pre-lttri 10876  ax-pre-lttrn 10877  ax-pre-ltadd 10878  ax-pre-mulgt0 10879  ax-addf 10881  ax-mulf 10882

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 396  df-or 844  df-3or 1086  df-3an 1087  df-xor 1504  df-tru 1542  df-fal 1552  df-ex 1784  df-nf 1788  df-sb 2069  df-mo 2540  df-eu 2569  df-clab 2716  df-cleq 2730  df-clel 2817  df-nfc 2888  df-ne 2943  df-nel 3049  df-ral 3068  df-rex 3069  df-reu 3070  df-rmo 3071  df-rab 3072  df-v 3424  df-sbc 3712  df-csb 3829  df-dif 3886  df-un 3888  df-in 3890  df-ss 3900  df-pss 3902  df-nul 4254  df-if 4457  df-pw 4532  df-sn 4559  df-pr 4561  df-tp 4563  df-op 4565  df-ot 4567  df-uni 4837  df-int 4877  df-iun 4923  df-iin 4924  df-br 5071  df-opab 5133  df-mpt 5154  df-tr 5188  df-id 5480  df-eprel 5486  df-po 5494  df-so 5495  df-fr 5535  df-se 5536  df-we 5537  df-xp 5586  df-rel 5587  df-cnv 5588  df-co 5589  df-dm 5590  df-rn 5591  df-res 5592  df-ima 5593  df-pred 6191  df-ord 6254  df-on 6255  df-lim 6256  df-suc 6257  df-iota 6376  df-fun 6420  df-fn 6421  df-f 6422  df-f1 6423  df-fo 6424  df-f1o 6425  df-fv 6426  df-isom 6427  df-riota 7212  df-ov 7258  df-oprab 7259  df-mpo 7260  df-of 7511  df-ofr 7512  df-om 7688  df-1st 7804  df-2nd 7805  df-supp 7949  df-tpos 8013  df-cur 8054  df-frecs 8068  df-wrecs 8099  df-recs 8173  df-rdg 8212  df-1o 8267  df-2o 8268  df-er 8456  df-map 8575  df-pm 8576  df-ixp 8644  df-en 8692  df-dom 8693  df-sdom 8694  df-fin 8695  df-fsupp 9059  df-sup 9131  df-oi 9199  df-card 9628  df-pnf 10942  df-mnf 10943  df-xr 10944  df-ltxr 10945  df-le 10946  df-sub 11137  df-neg 11138  df-div 11563  df-nn 11904  df-2 11966  df-3 11967  df-4 11968  df-5 11969  df-6 11970  df-7 11971  df-8 11972  df-9 11973  df-n0 12164  df-xnn0 12236  df-z 12250  df-dec 12367  df-uz 12512  df-rp 12660  df-fz 13169  df-fzo 13312  df-seq 13650  df-exp 13711  df-hash 13973  df-word 14146  df-lsw 14194  df-concat 14202  df-s1 14229  df-substr 14282  df-pfx 14312  df-splice 14391  df-reverse 14400  df-s2 14489  df-struct 16776  df-sets 16793  df-slot 16811  df-ndx 16823  df-base 16841  df-ress 16868  df-plusg 16901  df-mulr 16902  df-starv 16903  df-sca 16904  df-vsca 16905  df-ip 16906  df-tset 16907  df-ple 16908  df-ds 16910  df-unif 16911  df-hom 16912  df-cco 16913  df-0g 17069  df-gsum 17070  df-prds 17075  df-pws 17077  df-mre 17212  df-mrc 17213  df-acs 17215  df-mgm 18241  df-sgrp 18290  df-mnd 18301  df-mhm 18345  df-submnd 18346  df-efmnd 18423  df-grp 18495  df-minusg 18496  df-sbg 18497  df-mulg 18616  df-subg 18667  df-ghm 18747  df-gim 18790  df-cntz 18838  df-oppg 18865  df-symg 18890  df-pmtr 18965  df-psgn 19014  df-evpm 19015  df-cmn 19303  df-abl 19304  df-mgp 19636  df-ur 19653  df-srg 19657  df-ring 19700  df-cring 19701  df-oppr 19777  df-dvdsr 19798  df-unit 19799  df-invr 19829  df-dvr 19840  df-rnghom 19874  df-drng 19908  df-subrg 19937  df-lmod 20040  df-lss 20109  df-sra 20349  df-rgmod 20350  df-cnfld 20511  df-zring 20583  df-zrh 20617  df-dsmm 20849  df-frlm 20864  df-assa 20970  df-ascl 20972  df-psr 21022  df-mvr 21023  df-mpl 21024  df-opsr 21026  df-psr1 21261  df-vr1 21262  df-ply1 21263  df-coe1 21264  df-mamu 21443  df-mat 21465  df-mdet 21642  df-madu 21691  df-cpmat 21763  df-mat2pmat 21764  df-cpmat2mat 21765  df-decpmat 21820  df-pm2mp 21850  df-chpmat 21884

This theorem is referenced by:  cayleyhamilton1  21949