Theorem cayleyhamilton 20914

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 2771	. 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 2771	. 2 ⊢ (Poly1‘𝑅) = (Poly1‘𝑅)
10		eqid 2771	. 2 ⊢ (𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)) = (𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))
11		eqid 2771	. 2 ⊢ (.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (.r‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
12		eqid 2771	. 2 ⊢ (-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (-g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
13		eqid 2771	. 2 ⊢ (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (0g‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
14		eqid 2771	. 2 ⊢ (Base‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))) = (Base‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))
15		eqid 2771	. 2 ⊢ (.g‘(mulGrp‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅)))) = (.g‘(mulGrp‘(𝑁 Mat (Poly1‘𝑅))))
16		eqid 2771	. 2 ⊢ (𝑁 matToPolyMat 𝑅) = (𝑁 matToPolyMat 𝑅)
17		eqeq1 2775	. . . 4 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑙 = 0 ↔ 𝑛 = 0))
18		eqeq1 2775	. . . . 5 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑙 = (𝑥 + 1) ↔ 𝑛 = (𝑥 + 1)))
19		breq2 4791	. . . . . 6 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑥 + 1) < 𝑙 ↔ (𝑥 + 1) < 𝑛))
20		fvoveq1 6818	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑦‘(𝑙 − 1)) = (𝑦‘(𝑛 − 1)))
21	20	fveq2d 6337	. . . . . . 7 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑙 − 1))) = ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘(𝑛 − 1))))
22		fveq2 6333	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → (𝑦‘𝑙) = (𝑦‘𝑛))
23	22	fveq2d 6337	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑙 = 𝑛 → ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑙)) = ((𝑁 matToPolyMat 𝑅)‘(𝑦‘𝑛)))
24	23	oveq2d 6811	. . . . . . 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))))
25	21, 24	oveq12d 6813	. . . . . 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)))))
26	19, 25	ifbieq2d 4251	. . . . 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))))))
27	18, 26	ifbieq2d 4251	. . . 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)))))))
28	17, 27	ifbieq2d 4251	. . 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))))))))
29	28	cbvmptv 4885	. 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))))))))
30		eqid 2771	. 2 ⊢ (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅)
31	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 29, 30	cayleyhamilton0 20913	1 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐾‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = 0 )

Syntax hints:   → wi 4   ∧ w3a 1071   = wceq 1631   ∈ wcel 2145  ifcif 4226   class class class wbr 4787   ↦ cmpt 4864  ‘cfv 6030  (class class class)co 6795  Fincfn 8112  0cc0 10141  1c1 10142   + caddc 10144   < clt 10279   − cmin 10471  ℕ₀cn0 11498  Basecbs 16063  ._rcmulr 16149   ·_𝑠 cvsca 16152  0_gc0g 16307   Σ_g cgsu 16308  -_gcsg 17631  ._gcmg 17747  mulGrpcmgp 18696  1_rcur 18708  CRingccrg 18755  Poly₁cpl1 19761  coe₁cco1 19762   Mat cmat 20429   matToPolyMat cmat2pmat 20728   cPolyMatToMat ccpmat2mat 20729   CharPlyMat cchpmat 20850

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1870  ax-4 1885  ax-5 1991  ax-6 2057  ax-7 2093  ax-8 2147  ax-9 2154  ax-10 2174  ax-11 2190  ax-12 2203  ax-13 2408  ax-ext 2751  ax-rep 4905  ax-sep 4916  ax-nul 4924  ax-pow 4975  ax-pr 5035  ax-un 7099  ax-inf2 8705  ax-cnex 10197  ax-resscn 10198  ax-1cn 10199  ax-icn 10200  ax-addcl 10201  ax-addrcl 10202  ax-mulcl 10203  ax-mulrcl 10204  ax-mulcom 10205  ax-addass 10206  ax-mulass 10207  ax-distr 10208  ax-i2m1 10209  ax-1ne0 10210  ax-1rid 10211  ax-rnegex 10212  ax-rrecex 10213  ax-cnre 10214  ax-pre-lttri 10215  ax-pre-lttrn 10216  ax-pre-ltadd 10217  ax-pre-mulgt0 10218  ax-addf 10220  ax-mulf 10221

This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-an 383  df-or 837  df-3or 1072  df-3an 1073  df-xor 1613  df-tru 1634  df-fal 1637  df-ex 1853  df-nf 1858  df-sb 2050  df-eu 2622  df-mo 2623  df-clab 2758  df-cleq 2764  df-clel 2767  df-nfc 2902  df-ne 2944  df-nel 3047  df-ral 3066  df-rex 3067  df-reu 3068  df-rmo 3069  df-rab 3070  df-v 3353  df-sbc 3588  df-csb 3683  df-dif 3726  df-un 3728  df-in 3730  df-ss 3737  df-pss 3739  df-nul 4064  df-if 4227  df-pw 4300  df-sn 4318  df-pr 4320  df-tp 4322  df-op 4324  df-ot 4326  df-uni 4576  df-int 4613  df-iun 4657  df-iin 4658  df-br 4788  df-opab 4848  df-mpt 4865  df-tr 4888  df-id 5158  df-eprel 5163  df-po 5171  df-so 5172  df-fr 5209  df-se 5210  df-we 5211  df-xp 5256  df-rel 5257  df-cnv 5258  df-co 5259  df-dm 5260  df-rn 5261  df-res 5262  df-ima 5263  df-pred 5822  df-ord 5868  df-on 5869  df-lim 5870  df-suc 5871  df-iota 5993  df-fun 6032  df-fn 6033  df-f 6034  df-f1 6035  df-fo 6036  df-f1o 6037  df-fv 6038  df-isom 6039  df-riota 6756  df-ov 6798  df-oprab 6799  df-mpt2 6800  df-of 7047  df-ofr 7048  df-om 7216  df-1st 7318  df-2nd 7319  df-supp 7450  df-tpos 7507  df-cur 7548  df-wrecs 7562  df-recs 7624  df-rdg 7662  df-1o 7716  df-2o 7717  df-oadd 7720  df-er 7899  df-map 8014  df-pm 8015  df-ixp 8066  df-en 8113  df-dom 8114  df-sdom 8115  df-fin 8116  df-fsupp 8435  df-sup 8507  df-oi 8574  df-card 8968  df-pnf 10281  df-mnf 10282  df-xr 10283  df-ltxr 10284  df-le 10285  df-sub 10473  df-neg 10474  df-div 10890  df-nn 11226  df-2 11284  df-3 11285  df-4 11286  df-5 11287  df-6 11288  df-7 11289  df-8 11290  df-9 11291  df-n0 11499  df-xnn0 11570  df-z 11584  df-dec 11700  df-uz 11893  df-rp 12035  df-fz 12533  df-fzo 12673  df-seq 13008  df-exp 13067  df-hash 13321  df-word 13494  df-lsw 13495  df-concat 13496  df-s1 13497  df-substr 13498  df-splice 13499  df-reverse 13500  df-s2 13801  df-struct 16065  df-ndx 16066  df-slot 16067  df-base 16069  df-sets 16070  df-ress 16071  df-plusg 16161  df-mulr 16162  df-starv 16163  df-sca 16164  df-vsca 16165  df-ip 16166  df-tset 16167  df-ple 16168  df-ds 16171  df-unif 16172  df-hom 16173  df-cco 16174  df-0g 16309  df-gsum 16310  df-prds 16315  df-pws 16317  df-mre 16453  df-mrc 16454  df-acs 16456  df-mgm 17449  df-sgrp 17491  df-mnd 17502  df-mhm 17542  df-submnd 17543  df-grp 17632  df-minusg 17633  df-sbg 17634  df-mulg 17748  df-subg 17798  df-ghm 17865  df-gim 17908  df-cntz 17956  df-oppg 17982  df-symg 18004  df-pmtr 18068  df-psgn 18117  df-evpm 18118  df-cmn 18401  df-abl 18402  df-mgp 18697  df-ur 18709  df-srg 18713  df-ring 18756  df-cring 18757  df-oppr 18830  df-dvdsr 18848  df-unit 18849  df-invr 18879  df-dvr 18890  df-rnghom 18924  df-drng 18958  df-subrg 18987  df-lmod 19074  df-lss 19142  df-sra 19386  df-rgmod 19387  df-assa 19526  df-ascl 19528  df-psr 19570  df-mvr 19571  df-mpl 19572  df-opsr 19574  df-psr1 19764  df-vr1 19765  df-ply1 19766  df-coe1 19767  df-cnfld 19961  df-zring 20033  df-zrh 20066  df-dsmm 20292  df-frlm 20307  df-mamu 20406  df-mat 20430  df-mdet 20608  df-madu 20657  df-cpmat 20730  df-mat2pmat 20731  df-cpmat2mat 20732  df-decpmat 20787  df-pm2mp 20817  df-chpmat 20851

This theorem is referenced by:  cayleyhamilton1  20916