Users' Mathboxes Mathbox for Thierry Arnoux < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >   Mathboxes  >  elrgspn Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem elrgspn 33213
Description: Membership in the subring generated by the subset 𝐴. An element 𝑋 lies in that subring if and only if 𝑋 is a linear combination with integer coefficients of products of elements of 𝐴. (Contributed by Thierry Arnoux, 5-Oct-2025.)
Hypotheses
Ref Expression
elrgspn.b 𝐵 = (Base‘𝑅)
elrgspn.m 𝑀 = (mulGrp‘𝑅)
elrgspn.x · = (.g𝑅)
elrgspn.n 𝑁 = (RingSpan‘𝑅)
elrgspn.f 𝐹 = {𝑓 ∈ (ℤ ↑m Word 𝐴) ∣ 𝑓 finSupp 0}
elrgspn.r (𝜑𝑅 ∈ Ring)
elrgspn.a (𝜑𝐴𝐵)
Assertion
Ref Expression
elrgspn (𝜑 → (𝑋 ∈ (𝑁𝐴) ↔ ∃𝑔𝐹 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))))
Distinct variable groups:   · ,𝑓,𝑔,𝑤   𝐴,𝑓,𝑔,𝑤   𝐵,𝑓,𝑔,𝑤   𝑓,𝐹,𝑔,𝑤   𝑓,𝑀,𝑔,𝑤   𝑅,𝑓,𝑔,𝑤   𝑓,𝑋,𝑔   𝜑,𝑓,𝑔,𝑤
Allowed substitution hints:   𝑁(𝑤,𝑓,𝑔)   𝑋(𝑤)

Proof of Theorem elrgspn
Dummy variables 𝑖 𝑣 𝑦 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 elrgspn.r . . . . 5 (𝜑𝑅 ∈ Ring)
2 elrgspn.b . . . . . 6 𝐵 = (Base‘𝑅)
32a1i 11 . . . . 5 (𝜑𝐵 = (Base‘𝑅))
4 elrgspn.a . . . . 5 (𝜑𝐴𝐵)
5 elrgspn.n . . . . . 6 𝑁 = (RingSpan‘𝑅)
65a1i 11 . . . . 5 (𝜑𝑁 = (RingSpan‘𝑅))
7 eqidd 2730 . . . . 5 (𝜑 → (𝑁𝐴) = (𝑁𝐴))
81, 3, 4, 6, 7rgspncl 20533 . . . 4 (𝜑 → (𝑁𝐴) ∈ (SubRing‘𝑅))
92subrgss 20492 . . . 4 ((𝑁𝐴) ∈ (SubRing‘𝑅) → (𝑁𝐴) ⊆ 𝐵)
108, 9syl 17 . . 3 (𝜑 → (𝑁𝐴) ⊆ 𝐵)
1110sselda 3943 . 2 ((𝜑𝑋 ∈ (𝑁𝐴)) → 𝑋𝐵)
12 simpr 484 . . . 4 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))) → 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))))
13 eqid 2729 . . . . . 6 (0g𝑅) = (0g𝑅)
141ringcmnd 20204 . . . . . . 7 (𝜑𝑅 ∈ CMnd)
1514adantr 480 . . . . . 6 ((𝜑𝑔𝐹) → 𝑅 ∈ CMnd)
162fvexi 6854 . . . . . . . . . 10 𝐵 ∈ V
1716a1i 11 . . . . . . . . 9 (𝜑𝐵 ∈ V)
1817, 4ssexd 5274 . . . . . . . 8 (𝜑𝐴 ∈ V)
1918adantr 480 . . . . . . 7 ((𝜑𝑔𝐹) → 𝐴 ∈ V)
20 wrdexg 14465 . . . . . . 7 (𝐴 ∈ V → Word 𝐴 ∈ V)
2119, 20syl 17 . . . . . 6 ((𝜑𝑔𝐹) → Word 𝐴 ∈ V)
22 elrgspn.x . . . . . . . 8 · = (.g𝑅)
231ringgrpd 20162 . . . . . . . . 9 (𝜑𝑅 ∈ Grp)
2423ad2antrr 726 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑤 ∈ Word 𝐴) → 𝑅 ∈ Grp)
25 zex 12514 . . . . . . . . . . 11 ℤ ∈ V
2625a1i 11 . . . . . . . . . 10 ((𝜑𝑔𝐹) → ℤ ∈ V)
27 breq1 5105 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑓 = 𝑔 → (𝑓 finSupp 0 ↔ 𝑔 finSupp 0))
28 elrgspn.f . . . . . . . . . . . . . 14 𝐹 = {𝑓 ∈ (ℤ ↑m Word 𝐴) ∣ 𝑓 finSupp 0}
2927, 28elrab2 3659 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑔𝐹 ↔ (𝑔 ∈ (ℤ ↑m Word 𝐴) ∧ 𝑔 finSupp 0))
3029biimpi 216 . . . . . . . . . . . 12 (𝑔𝐹 → (𝑔 ∈ (ℤ ↑m Word 𝐴) ∧ 𝑔 finSupp 0))
3130simpld 494 . . . . . . . . . . 11 (𝑔𝐹𝑔 ∈ (ℤ ↑m Word 𝐴))
3231adantl 481 . . . . . . . . . 10 ((𝜑𝑔𝐹) → 𝑔 ∈ (ℤ ↑m Word 𝐴))
3321, 26, 32elmaprd 32653 . . . . . . . . 9 ((𝜑𝑔𝐹) → 𝑔:Word 𝐴⟶ℤ)
3433ffvelcdmda 7038 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑤 ∈ Word 𝐴) → (𝑔𝑤) ∈ ℤ)
35 elrgspn.m . . . . . . . . . . . 12 𝑀 = (mulGrp‘𝑅)
3635ringmgp 20159 . . . . . . . . . . 11 (𝑅 ∈ Ring → 𝑀 ∈ Mnd)
371, 36syl 17 . . . . . . . . . 10 (𝜑𝑀 ∈ Mnd)
3837ad2antrr 726 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑤 ∈ Word 𝐴) → 𝑀 ∈ Mnd)
39 sswrd 14463 . . . . . . . . . . . 12 (𝐴𝐵 → Word 𝐴 ⊆ Word 𝐵)
404, 39syl 17 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → Word 𝐴 ⊆ Word 𝐵)
4140adantr 480 . . . . . . . . . 10 ((𝜑𝑔𝐹) → Word 𝐴 ⊆ Word 𝐵)
4241sselda 3943 . . . . . . . . 9 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑤 ∈ Word 𝐴) → 𝑤 ∈ Word 𝐵)
4335, 2mgpbas 20065 . . . . . . . . . 10 𝐵 = (Base‘𝑀)
4443gsumwcl 18748 . . . . . . . . 9 ((𝑀 ∈ Mnd ∧ 𝑤 ∈ Word 𝐵) → (𝑀 Σg 𝑤) ∈ 𝐵)
4538, 42, 44syl2anc 584 . . . . . . . 8 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑤 ∈ Word 𝐴) → (𝑀 Σg 𝑤) ∈ 𝐵)
462, 22, 24, 34, 45mulgcld 19010 . . . . . . 7 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑤 ∈ Word 𝐴) → ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)) ∈ 𝐵)
4746fmpttd 7069 . . . . . 6 ((𝜑𝑔𝐹) → (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))):Word 𝐴𝐵)
4833feqmptd 6911 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑔𝐹) → 𝑔 = (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ (𝑔𝑤)))
4930simprd 495 . . . . . . . . 9 (𝑔𝐹𝑔 finSupp 0)
5049adantl 481 . . . . . . . 8 ((𝜑𝑔𝐹) → 𝑔 finSupp 0)
5148, 50eqbrtrrd 5126 . . . . . . 7 ((𝜑𝑔𝐹) → (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ (𝑔𝑤)) finSupp 0)
522, 13, 22mulg0 18988 . . . . . . . 8 (𝑦𝐵 → (0 · 𝑦) = (0g𝑅))
5352adantl 481 . . . . . . 7 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑦𝐵) → (0 · 𝑦) = (0g𝑅))
54 fvexd 6855 . . . . . . 7 ((𝜑𝑔𝐹) → (0g𝑅) ∈ V)
5551, 53, 34, 45, 54fsuppssov1 9311 . . . . . 6 ((𝜑𝑔𝐹) → (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))) finSupp (0g𝑅))
562, 13, 15, 21, 47, 55gsumcl 19829 . . . . 5 ((𝜑𝑔𝐹) → (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))) ∈ 𝐵)
5756adantr 480 . . . 4 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))) → (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))) ∈ 𝐵)
5812, 57eqeltrd 2828 . . 3 (((𝜑𝑔𝐹) ∧ 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))) → 𝑋𝐵)
5958r19.29an 3137 . 2 ((𝜑 ∧ ∃𝑔𝐹 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))) → 𝑋𝐵)
601adantr 480 . . . . 5 ((𝜑𝑋𝐵) → 𝑅 ∈ Ring)
614adantr 480 . . . . 5 ((𝜑𝑋𝐵) → 𝐴𝐵)
62 fveq1 6839 . . . . . . . . . . 11 ( = 𝑖 → (𝑤) = (𝑖𝑤))
6362oveq1d 7384 . . . . . . . . . 10 ( = 𝑖 → ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)) = ((𝑖𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))
6463mpteq2dv 5196 . . . . . . . . 9 ( = 𝑖 → (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))) = (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑖𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))
65 fveq2 6840 . . . . . . . . . . 11 (𝑤 = 𝑣 → (𝑖𝑤) = (𝑖𝑣))
66 oveq2 7377 . . . . . . . . . . 11 (𝑤 = 𝑣 → (𝑀 Σg 𝑤) = (𝑀 Σg 𝑣))
6765, 66oveq12d 7387 . . . . . . . . . 10 (𝑤 = 𝑣 → ((𝑖𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)) = ((𝑖𝑣) · (𝑀 Σg 𝑣)))
6867cbvmptv 5206 . . . . . . . . 9 (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑖𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))) = (𝑣 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑖𝑣) · (𝑀 Σg 𝑣)))
6964, 68eqtrdi 2780 . . . . . . . 8 ( = 𝑖 → (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))) = (𝑣 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑖𝑣) · (𝑀 Σg 𝑣))))
7069oveq2d 7385 . . . . . . 7 ( = 𝑖 → (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))) = (𝑅 Σg (𝑣 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑖𝑣) · (𝑀 Σg 𝑣)))))
7170cbvmptv 5206 . . . . . 6 (𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))) = (𝑖𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑣 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑖𝑣) · (𝑀 Σg 𝑣)))))
7271rneqi 5890 . . . . 5 ran (𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))) = ran (𝑖𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑣 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑖𝑣) · (𝑀 Σg 𝑣)))))
732, 35, 22, 5, 28, 60, 61, 72elrgspnlem4 33212 . . . 4 ((𝜑𝑋𝐵) → (𝑁𝐴) = ran (𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))))
7473eleq2d 2814 . . 3 ((𝜑𝑋𝐵) → (𝑋 ∈ (𝑁𝐴) ↔ 𝑋 ∈ ran (𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))))))
75 fveq1 6839 . . . . . . . . 9 ( = 𝑔 → (𝑤) = (𝑔𝑤))
7675oveq1d 7384 . . . . . . . 8 ( = 𝑔 → ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)) = ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))
7776mpteq2dv 5196 . . . . . . 7 ( = 𝑔 → (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))) = (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))
7877oveq2d 7385 . . . . . 6 ( = 𝑔 → (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))) = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))))
7978cbvmptv 5206 . . . . 5 (𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))) = (𝑔𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤)))))
8079elrnmpt 5911 . . . 4 (𝑋𝐵 → (𝑋 ∈ ran (𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))) ↔ ∃𝑔𝐹 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))))
8180adantl 481 . . 3 ((𝜑𝑋𝐵) → (𝑋 ∈ ran (𝐹 ↦ (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))) ↔ ∃𝑔𝐹 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))))
8274, 81bitrd 279 . 2 ((𝜑𝑋𝐵) → (𝑋 ∈ (𝑁𝐴) ↔ ∃𝑔𝐹 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))))
8311, 59, 82bibiad 839 1 (𝜑 → (𝑋 ∈ (𝑁𝐴) ↔ ∃𝑔𝐹 𝑋 = (𝑅 Σg (𝑤 ∈ Word 𝐴 ↦ ((𝑔𝑤) · (𝑀 Σg 𝑤))))))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 206  wa 395   = wceq 1540  wcel 2109  wrex 3053  {crab 3402  Vcvv 3444  wss 3911   class class class wbr 5102  cmpt 5183  ran crn 5632  cfv 6499  (class class class)co 7369  m cmap 8776   finSupp cfsupp 9288  0cc0 11044  cz 12505  Word cword 14454  Basecbs 17155  0gc0g 17378   Σg cgsu 17379  Mndcmnd 18643  Grpcgrp 18847  .gcmg 18981  CMndccmn 19694  mulGrpcmgp 20060  Ringcrg 20153  SubRingcsubrg 20489  RingSpancrgspn 20530
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1795  ax-4 1809  ax-5 1910  ax-6 1967  ax-7 2008  ax-8 2111  ax-9 2119  ax-10 2142  ax-11 2158  ax-12 2178  ax-ext 2701  ax-rep 5229  ax-sep 5246  ax-nul 5256  ax-pow 5315  ax-pr 5382  ax-un 7691  ax-inf2 9570  ax-cnex 11100  ax-resscn 11101  ax-1cn 11102  ax-icn 11103  ax-addcl 11104  ax-addrcl 11105  ax-mulcl 11106  ax-mulrcl 11107  ax-mulcom 11108  ax-addass 11109  ax-mulass 11110  ax-distr 11111  ax-i2m1 11112  ax-1ne0 11113  ax-1rid 11114  ax-rnegex 11115  ax-rrecex 11116  ax-cnre 11117  ax-pre-lttri 11118  ax-pre-lttrn 11119  ax-pre-ltadd 11120  ax-pre-mulgt0 11121  ax-pre-sup 11122  ax-addf 11123
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2066  df-mo 2533  df-eu 2562  df-clab 2708  df-cleq 2721  df-clel 2803  df-nfc 2878  df-ne 2926  df-nel 3030  df-ral 3045  df-rex 3054  df-rmo 3351  df-reu 3352  df-rab 3403  df-v 3446  df-sbc 3751  df-csb 3860  df-dif 3914  df-un 3916  df-in 3918  df-ss 3928  df-pss 3931  df-nul 4293  df-if 4485  df-pw 4561  df-sn 4586  df-pr 4588  df-tp 4590  df-op 4592  df-uni 4868  df-int 4907  df-iun 4953  df-iin 4954  df-br 5103  df-opab 5165  df-mpt 5184  df-tr 5210  df-id 5526  df-eprel 5531  df-po 5539  df-so 5540  df-fr 5584  df-se 5585  df-we 5586  df-xp 5637  df-rel 5638  df-cnv 5639  df-co 5640  df-dm 5641  df-rn 5642  df-res 5643  df-ima 5644  df-pred 6262  df-ord 6323  df-on 6324  df-lim 6325  df-suc 6326  df-iota 6452  df-fun 6501  df-fn 6502  df-f 6503  df-f1 6504  df-fo 6505  df-f1o 6506  df-fv 6507  df-isom 6508  df-riota 7326  df-ov 7372  df-oprab 7373  df-mpo 7374  df-of 7633  df-om 7823  df-1st 7947  df-2nd 7948  df-supp 8117  df-tpos 8182  df-frecs 8237  df-wrecs 8268  df-recs 8317  df-rdg 8355  df-1o 8411  df-2o 8412  df-er 8648  df-map 8778  df-en 8896  df-dom 8897  df-sdom 8898  df-fin 8899  df-fsupp 9289  df-sup 9369  df-oi 9439  df-card 9868  df-pnf 11186  df-mnf 11187  df-xr 11188  df-ltxr 11189  df-le 11190  df-sub 11383  df-neg 11384  df-div 11812  df-nn 12163  df-2 12225  df-3 12226  df-4 12227  df-5 12228  df-6 12229  df-7 12230  df-8 12231  df-9 12232  df-n0 12419  df-z 12506  df-dec 12626  df-uz 12770  df-rp 12928  df-fz 13445  df-fzo 13592  df-seq 13943  df-exp 14003  df-hash 14272  df-word 14455  df-concat 14512  df-s1 14537  df-substr 14582  df-pfx 14612  df-cj 15041  df-re 15042  df-im 15043  df-sqrt 15177  df-abs 15178  df-clim 15430  df-sum 15629  df-struct 17093  df-sets 17110  df-slot 17128  df-ndx 17140  df-base 17156  df-ress 17177  df-plusg 17209  df-mulr 17210  df-starv 17211  df-tset 17215  df-ple 17216  df-ds 17218  df-unif 17219  df-0g 17380  df-gsum 17381  df-mre 17523  df-mrc 17524  df-acs 17526  df-mgm 18549  df-sgrp 18628  df-mnd 18644  df-mhm 18692  df-submnd 18693  df-grp 18850  df-minusg 18851  df-mulg 18982  df-subg 19037  df-ghm 19127  df-cntz 19231  df-cmn 19696  df-abl 19697  df-mgp 20061  df-rng 20073  df-ur 20102  df-ring 20155  df-cring 20156  df-oppr 20257  df-subrng 20466  df-subrg 20490  df-rgspn 20531  df-cnfld 21297  df-zring 21389
This theorem is referenced by:  elrgspnsubrunlem1  33214  elrgspnsubrun  33216
  Copyright terms: Public domain W3C validator