Theorem cayleyhamilton 22039

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 5078	. . . . . 6 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑥 + 1) < 𝑙 ↔ (𝑥 + 1) < 𝑛))
20		fvoveq1 7298	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑦‘(𝑙 − 1)) = (𝑦‘(𝑛 − 1)))
21	20	fveq2d 6778	. . . . . . 7 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑙 − 1))) = ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑛 − 1))))
22		2fveq3 6779	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙)) = ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛)))
23	22	oveq2d 7291	. . . . . . 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 7293	. . . . . 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 4485	. . . . 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 4485	. . . 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 4485	. . 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 5187	. 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 22038	1 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐾‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = 0 )

Syntax hints:   → wi 4   ∧ w3a 1086   = wceq 1539   ∈ wcel 2106  ifcif 4459   class class class wbr 5074   ↦ cmpt 5157  ‘cfv 6433  (class class class)co 7275  Fincfn 8733  0cc0 10871  1c1 10872   + caddc 10874   < clt 11009   − cmin 11205  ℕ₀cn0 12233  Basecbs 16912  ._rcmulr 16963   ·_𝑠 cvsca 16966  0_gc0g 17150   Σ_g cgsu 17151  -_gcsg 18579  ._gcmg 18700  mulGrpcmgp 19720  1_rcur 19737  CRingccrg 19784  Poly₁cpl1 21348  coe₁cco1 21349   Mat cmat 21554   matToPolyMat cmat2pmat 21853   cPolyMatToMat ccpmat2mat 21854   CharPlyMat cchpmat 21975

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1798  ax-4 1812  ax-5 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2709  ax-rep 5209  ax-sep 5223  ax-nul 5230  ax-pow 5288  ax-pr 5352  ax-un 7588  ax-cnex 10927  ax-resscn 10928  ax-1cn 10929  ax-icn 10930  ax-addcl 10931  ax-addrcl 10932  ax-mulcl 10933  ax-mulrcl 10934  ax-mulcom 10935  ax-addass 10936  ax-mulass 10937  ax-distr 10938  ax-i2m1 10939  ax-1ne0 10940  ax-1rid 10941  ax-rnegex 10942  ax-rrecex 10943  ax-cnre 10944  ax-pre-lttri 10945  ax-pre-lttrn 10946  ax-pre-ltadd 10947  ax-pre-mulgt0 10948  ax-addf 10950  ax-mulf 10951

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 845  df-3or 1087  df-3an 1088  df-xor 1507  df-tru 1542  df-fal 1552  df-ex 1783  df-nf 1787  df-sb 2068  df-mo 2540  df-eu 2569  df-clab 2716  df-cleq 2730  df-clel 2816  df-nfc 2889  df-ne 2944  df-nel 3050  df-ral 3069  df-rex 3070  df-rmo 3071  df-reu 3072  df-rab 3073  df-v 3434  df-sbc 3717  df-csb 3833  df-dif 3890  df-un 3892  df-in 3894  df-ss 3904  df-pss 3906  df-nul 4257  df-if 4460  df-pw 4535  df-sn 4562  df-pr 4564  df-tp 4566  df-op 4568  df-ot 4570  df-uni 4840  df-int 4880  df-iun 4926  df-iin 4927  df-br 5075  df-opab 5137  df-mpt 5158  df-tr 5192  df-id 5489  df-eprel 5495  df-po 5503  df-so 5504  df-fr 5544  df-se 5545  df-we 5546  df-xp 5595  df-rel 5596  df-cnv 5597  df-co 5598  df-dm 5599  df-rn 5600  df-res 5601  df-ima 5602  df-pred 6202  df-ord 6269  df-on 6270  df-lim 6271  df-suc 6272  df-iota 6391  df-fun 6435  df-fn 6436  df-f 6437  df-f1 6438  df-fo 6439  df-f1o 6440  df-fv 6441  df-isom 6442  df-riota 7232  df-ov 7278  df-oprab 7279  df-mpo 7280  df-of 7533  df-ofr 7534  df-om 7713  df-1st 7831  df-2nd 7832  df-supp 7978  df-tpos 8042  df-cur 8083  df-frecs 8097  df-wrecs 8128  df-recs 8202  df-rdg 8241  df-1o 8297  df-2o 8298  df-er 8498  df-map 8617  df-pm 8618  df-ixp 8686  df-en 8734  df-dom 8735  df-sdom 8736  df-fin 8737  df-fsupp 9129  df-sup 9201  df-oi 9269  df-card 9697  df-pnf 11011  df-mnf 11012  df-xr 11013  df-ltxr 11014  df-le 11015  df-sub 11207  df-neg 11208  df-div 11633  df-nn 11974  df-2 12036  df-3 12037  df-4 12038  df-5 12039  df-6 12040  df-7 12041  df-8 12042  df-9 12043  df-n0 12234  df-xnn0 12306  df-z 12320  df-dec 12438  df-uz 12583  df-rp 12731  df-fz 13240  df-fzo 13383  df-seq 13722  df-exp 13783  df-hash 14045  df-word 14218  df-lsw 14266  df-concat 14274  df-s1 14301  df-substr 14354  df-pfx 14384  df-splice 14463  df-reverse 14472  df-s2 14561  df-struct 16848  df-sets 16865  df-slot 16883  df-ndx 16895  df-base 16913  df-ress 16942  df-plusg 16975  df-mulr 16976  df-starv 16977  df-sca 16978  df-vsca 16979  df-ip 16980  df-tset 16981  df-ple 16982  df-ds 16984  df-unif 16985  df-hom 16986  df-cco 16987  df-0g 17152  df-gsum 17153  df-prds 17158  df-pws 17160  df-mre 17295  df-mrc 17296  df-acs 17298  df-mgm 18326  df-sgrp 18375  df-mnd 18386  df-mhm 18430  df-submnd 18431  df-efmnd 18508  df-grp 18580  df-minusg 18581  df-sbg 18582  df-mulg 18701  df-subg 18752  df-ghm 18832  df-gim 18875  df-cntz 18923  df-oppg 18950  df-symg 18975  df-pmtr 19050  df-psgn 19099  df-evpm 19100  df-cmn 19388  df-abl 19389  df-mgp 19721  df-ur 19738  df-srg 19742  df-ring 19785  df-cring 19786  df-oppr 19862  df-dvdsr 19883  df-unit 19884  df-invr 19914  df-dvr 19925  df-rnghom 19959  df-drng 19993  df-subrg 20022  df-lmod 20125  df-lss 20194  df-sra 20434  df-rgmod 20435  df-cnfld 20598  df-zring 20671  df-zrh 20705  df-dsmm 20939  df-frlm 20954  df-assa 21060  df-ascl 21062  df-psr 21112  df-mvr 21113  df-mpl 21114  df-opsr 21116  df-psr1 21351  df-vr1 21352  df-ply1 21353  df-coe1 21354  df-mamu 21533  df-mat 21555  df-mdet 21734  df-madu 21783  df-cpmat 21855  df-mat2pmat 21856  df-cpmat2mat 21857  df-decpmat 21912  df-pm2mp 21942  df-chpmat 21976

This theorem is referenced by:  cayleyhamilton1  22041