Theorem cayleyhamilton 23220

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 2763	. 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 2763	. 2 ⊢ (Poly1‘𝑅) = (Poly1‘𝑅)
10		eqid 2763	. 2 ⊢ (𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)) = (𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))
11		eqid 2763	. 2 ⊢ (.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
12		eqid 2763	. 2 ⊢ (-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
13		eqid 2763	. 2 ⊢ (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
14		eqid 2763	. 2 ⊢ (Base‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (Base‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
15		eqid 2763	. 2 ⊢ (.g‘(mulGrp‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))) = (.g‘(mulGrp‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))))
16		eqid 2763	. 2 ⊢ (𝑁 matToPolyMat 𝑅) = (𝑁 matToPolyMat 𝑅)
17		eqeq1 2767	. . . 4 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑙 = 0 ↔ 𝑛 = 0))
18		eqeq1 2767	. . . . 5 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑙 = (𝑥 + 1) ↔ 𝑛 = (𝑥 + 1)))
19		breq2 5109	. . . . . 6 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑥 + 1) < 𝑙 ↔ (𝑥 + 1) < 𝑛))
20		fvoveq1 7450	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑦‘(𝑙 − 1)) = (𝑦‘(𝑛 − 1)))
21	20	fveq2d 6897	. . . . . . 7 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑙 − 1))) = ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑛 − 1))))
22		2fveq3 6898	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙)) = ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛)))
23	22	oveq2d 7443	. . . . . . 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 7445	. . . . . 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 4511	. . . . 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 4511	. . . 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 4511	. . 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 5211	. 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 2763	. 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 23219	1 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐾‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = 0 )

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ w3a 1103   = wceq 1569   ∈ wcel 2146  ifcif 4484   class class class wbr 5105   ↦ cmpt 5188  ‘cfv 6546  (class class class)co 7427  Fincfn 8984  0cc0 11210  1c1 11211   + caddc 11213   < clt 11353   − cmin 11551  ℕ₀cn0 12616  Basecbs 17399  ._rcmulr 17441   ·_𝑠 cvsca 17444  0_gc0g 17622   Σ_g cgsu 17623  -_gcsg 19158  ._gcmg 19289  mulGrpcmgp 20372  1_rcur 20419  CRingccrg 20472  Poly₁cpl1 22507  coe₁cco1 22508   Mat cmat 22734   matToPolyMat cmat2pmat 23034   cPolyMatToMat ccpmat2mat 23035   CharPlyMat cchpmat 23156

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1944  ax-6 2001  ax-7 2042  ax-8 2148  ax-9 2156  ax-10 2179  ax-11 2196  ax-12 2215  ax-ext 2735  ax-rep 5234  ax-sep 5251  ax-nul 5262  ax-pow 5330  ax-pr 5394  ax-un 7758  ax-cnex 11266  ax-resscn 11267  ax-1cn 11268  ax-icn 11269  ax-addcl 11270  ax-addrcl 11271  ax-mulcl 11272  ax-mulrcl 11273  ax-mulcom 11274  ax-addass 11275  ax-mulass 11276  ax-distr 11277  ax-i2m1 11278  ax-1ne0 11279  ax-1rid 11280  ax-rnegex 11281  ax-rrecex 11282  ax-cnre 11283  ax-pre-lttri 11284  ax-pre-lttrn 11285  ax-pre-ltadd 11286  ax-pre-mulgt0 11287  ax-addf 11289  ax-mulf 11290

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-xor 1541  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2101  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2838  df-nfc 2912  df-ne 2959  df-nel 3065  df-ral 3080  df-rex 3090  df-rmo 3368  df-reu 3369  df-rab 3416  df-v 3455  df-sbc 3742  df-csb 3851  df-ss 3900  df-pss 4016  df-dif 4049  df-in 4093  df-un 4153  df-nul 4281  df-if 4485  df-pw 4561  df-sn 4588  df-pr 4590  df-tp 4592  df-op 4838  df-ot 4861  df-uni 4870  df-int 4910  df-iun 4955  df-iin 4956  df-br 5106  df-opab 5170  df-mpt 5189  df-tr 5215  df-id 5549  df-eprel 5554  df-po 5562  df-so 5563  df-fr 5607  df-se 5608  df-we 5609  df-xp 5660  df-rel 5661  df-cnv 5662  df-co 5663  df-dm 5664  df-rn 5665  df-res 5666  df-ima 5667  df-pred 6310  df-ord 6371  df-on 6372  df-lim 6373  df-suc 6374  df-iota 6500  df-fun 6548  df-fn 6549  df-f 6550  df-f1 6551  df-fo 6552  df-f1o 6553  df-fv 6554  df-isom 6555  df-riota 7384  df-ov 7430  df-oprab 7431  df-mpo 7432  df-of 7700  df-ofr 7701  df-om 7885  df-1st 8008  df-2nd 8009  df-supp 8188  df-tpos 8254  df-cur 8295  df-frecs 8310  df-wrecs 8341  df-recs 8390  df-rdg 8429  df-1o 8487  df-2o 8488  df-er 8728  df-map 8860  df-pm 8861  df-ixp 8937  df-en 8985  df-dom 8986  df-sdom 8987  df-fin 8988  df-fsupp 9365  df-sup 9444  df-oi 9514  df-card 10030  df-pnf 11355  df-mnf 11356  df-xr 11357  df-ltxr 11358  df-le 11359  df-sub 11553  df-neg 11554  df-div 11984  df-nn 12346  df-2 12415  df-3 12416  df-4 12417  df-5 12418  df-6 12419  df-7 12420  df-8 12421  df-9 12422  df-n0 12617  df-xnn0 12690  df-z 12704  df-dec 12825  df-uz 12976  df-rp 13131  df-fz 13650  df-fzo 13799  df-seq 14155  df-exp 14215  df-hash 14485  df-word 14669  df-lsw 14718  df-concat 14726  df-s1 14753  df-substr 14800  df-pfx 14832  df-splice 14910  df-reverse 14919  df-s2 15010  df-struct 17337  df-sets 17354  df-slot 17372  df-ndx 17384  df-base 17400  df-ress 17421  df-plusg 17453  df-mulr 17454  df-starv 17455  df-sca 17456  df-vsca 17457  df-ip 17458  df-tset 17459  df-ple 17460  df-ds 17462  df-unif 17463  df-hom 17464  df-cco 17465  df-0g 17624  df-gsum 17625  df-prds 17630  df-pws 17632  df-mre 17768  df-mrc 17769  df-acs 17771  df-mgm 18828  df-sgrp 18920  df-mnd 18936  df-mhm 18990  df-submnd 18991  df-efmnd 19077  df-grp 19159  df-minusg 19160  df-sbg 19161  df-mulg 19290  df-subg 19345  df-ghm 19440  df-gim 19485  df-cntz 19543  df-oppg 19572  df-symg 19596  df-pmtr 19668  df-psgn 19717  df-evpm 19718  df-cmn 20008  df-abl 20009  df-mgp 20373  df-rng 20387  df-ur 20420  df-srg 20425  df-ring 20473  df-cring 20474  df-oppr 20579  df-dvdsr 20599  df-unit 20600  df-invr 20630  df-dvr 20643  df-rhm 20714  df-subrng 20810  df-subrg 20834  df-drng 20994  df-lmod 21149  df-lss 21219  df-sra 21460  df-rgmod 21461  df-cnfld 21691  df-zring 21765  df-zrh 21821  df-dsmm 22050  df-frlm 22065  df-assa 22173  df-ascl 22175  df-psr 22229  df-mvr 22230  df-mpl 22231  df-opsr 22233  df-psr1 22510  df-vr1 22511  df-ply1 22512  df-coe1 22513  df-mamu 22718  df-mat 22735  df-mdet 22912  df-madu 22961  df-cpmat 23036  df-mat2pmat 23037  df-cpmat2mat 23038  df-decpmat 23093  df-pm2mp 23123  df-chpmat 23157

This theorem is used by:  cayleyhamilton1  23222