Theorem matdim 31006

Description: Dimension of the space of square matrices. (Contributed by Thierry Arnoux, 20-May-2023.)

Hypotheses

Ref	Expression
matdim.a	⊢ 𝐴 = (𝐼 Mat 𝑅)
matdim.n	⊢ 𝑁 = (♯‘𝐼)

Assertion

Ref	Expression
matdim	⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (dim‘𝐴) = (𝑁 · 𝑁))

Proof of Theorem matdim

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

Step	Hyp	Ref	Expression
1		simpr 487	. . . 4 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → 𝑅 ∈ DivRing)
2		simpl 485	. . . . 5 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → 𝐼 ∈ Fin)
3		xpfi 8781	. . . . 5 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝐼 ∈ Fin) → (𝐼 × 𝐼) ∈ Fin)
4	2, 2, 3	syl2anc 586	. . . 4 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (𝐼 × 𝐼) ∈ Fin)
5		eqid 2819	. . . . 5 ⊢ (𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)) = (𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))
6	5	frlmdim 31002	. . . 4 ⊢ ((𝑅 ∈ DivRing ∧ (𝐼 × 𝐼) ∈ Fin) → (dim‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = (♯‘(𝐼 × 𝐼)))
7	1, 4, 6	syl2anc 586	. . 3 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (dim‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = (♯‘(𝐼 × 𝐼)))
8		matdim.a	. . . . . 6 ⊢ 𝐴 = (𝐼 Mat 𝑅)
9	8, 5	matbas 21014	. . . . 5 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (Base‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = (Base‘𝐴))
10	9	eqcomd 2825	. . . 4 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (Base‘𝐴) = (Base‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))))
11		eqidd 2820	. . . 4 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (Base‘𝐴) = (Base‘𝐴))
12		ssidd 3988	. . . 4 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (Base‘𝐴) ⊆ (Base‘𝐴))
13	8, 5	matplusg 21015	. . . . 5 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (+g‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = (+g‘𝐴))
14	13	oveqdr 7176	. . . 4 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘𝐴) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → (𝑥(+g‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))𝑦) = (𝑥(+g‘𝐴)𝑦))
15	5	frlmlvec 20897	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑅 ∈ DivRing ∧ (𝐼 × 𝐼) ∈ Fin) → (𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)) ∈ LVec)
16	1, 4, 15	syl2anc 586	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)) ∈ LVec)
17		lveclmod 19870	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)) ∈ LVec → (𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)) ∈ LMod)
18	16, 17	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)) ∈ LMod)
19	18	adantr 483	. . . . . 6 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → (𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)) ∈ LMod)
20		simprl 769	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → 𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)))
21	8, 5	matsca 21016	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = (Scalar‘𝐴))
22	21	fveq2d 6667	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (Base‘(Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))) = (Base‘(Scalar‘𝐴)))
23	22	eqcomd 2825	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (Base‘(Scalar‘𝐴)) = (Base‘(Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))))
24	23	adantr 483	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → (Base‘(Scalar‘𝐴)) = (Base‘(Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))))
25	20, 24	eleqtrd 2913	. . . . . 6 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → 𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))))
26		simprr 771	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))
27	10	adantr 483	. . . . . . 7 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → (Base‘𝐴) = (Base‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))))
28	26, 27	eleqtrd 2913	. . . . . 6 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → 𝑦 ∈ (Base‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))))
29		eqid 2819	. . . . . . 7 ⊢ (Base‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = (Base‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))
30		eqid 2819	. . . . . . 7 ⊢ (Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = (Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))
31		eqid 2819	. . . . . . 7 ⊢ ( ·𝑠 ‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = ( ·𝑠 ‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))
32		eqid 2819	. . . . . . 7 ⊢ (Base‘(Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))) = (Base‘(Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))))
33	29, 30, 31, 32	lmodvscl 19643	. . . . . 6 ⊢ (((𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)) ∈ LMod ∧ 𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))) → (𝑥( ·𝑠 ‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))𝑦) ∈ (Base‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))))
34	19, 25, 28, 33	syl3anc 1366	. . . . 5 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → (𝑥( ·𝑠 ‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))𝑦) ∈ (Base‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))))
35	34, 27	eleqtrrd 2914	. . . 4 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → (𝑥( ·𝑠 ‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))𝑦) ∈ (Base‘𝐴))
36	8, 5	matvsca 21017	. . . . 5 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → ( ·𝑠 ‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = ( ·𝑠 ‘𝐴))
37	36	oveqdr 7176	. . . 4 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘𝐴))) → (𝑥( ·𝑠 ‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))𝑦) = (𝑥( ·𝑠 ‘𝐴)𝑦))
38		eqid 2819	. . . 4 ⊢ (Scalar‘𝐴) = (Scalar‘𝐴)
39		eqidd 2820	. . . 4 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (Base‘(Scalar‘𝐴)) = (Base‘(Scalar‘𝐴)))
40	21	fveq2d 6667	. . . . 5 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (+g‘(Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼)))) = (+g‘(Scalar‘𝐴)))
41	40	oveqdr 7176	. . . 4 ⊢ (((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) ∧ (𝑥 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)) ∧ 𝑦 ∈ (Base‘(Scalar‘𝐴)))) → (𝑥(+g‘(Scalar‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))))𝑦) = (𝑥(+g‘(Scalar‘𝐴))𝑦))
42		drngring 19501	. . . . . 6 ⊢ (𝑅 ∈ DivRing → 𝑅 ∈ Ring)
43	8	matlmod 21030	. . . . . 6 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → 𝐴 ∈ LMod)
44	42, 43	sylan2 594	. . . . 5 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → 𝐴 ∈ LMod)
45	8	matsca2 21021	. . . . . 6 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → 𝑅 = (Scalar‘𝐴))
46	45, 1	eqeltrrd 2912	. . . . 5 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (Scalar‘𝐴) ∈ DivRing)
47	38	islvec 19868	. . . . 5 ⊢ (𝐴 ∈ LVec ↔ (𝐴 ∈ LMod ∧ (Scalar‘𝐴) ∈ DivRing))
48	44, 46, 47	sylanbrc 585	. . . 4 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → 𝐴 ∈ LVec)
49	10, 11, 12, 14, 35, 37, 30, 38, 23, 39, 41, 16, 48	dimpropd 31000	. . 3 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (dim‘(𝑅 freeLMod (𝐼 × 𝐼))) = (dim‘𝐴))
50		hashxp 13787	. . . 4 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝐼 ∈ Fin) → (♯‘(𝐼 × 𝐼)) = ((♯‘𝐼) · (♯‘𝐼)))
51	2, 2, 50	syl2anc 586	. . 3 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (♯‘(𝐼 × 𝐼)) = ((♯‘𝐼) · (♯‘𝐼)))
52	7, 49, 51	3eqtr3d 2862	. 2 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (dim‘𝐴) = ((♯‘𝐼) · (♯‘𝐼)))
53		matdim.n	. . 3 ⊢ 𝑁 = (♯‘𝐼)
54	53, 53	oveq12i 7160	. 2 ⊢ (𝑁 · 𝑁) = ((♯‘𝐼) · (♯‘𝐼))
55	52, 54	syl6eqr 2872	1 ⊢ ((𝐼 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ DivRing) → (dim‘𝐴) = (𝑁 · 𝑁))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 398   = wceq 1531   ∈ wcel 2108   × cxp 5546  ‘cfv 6348  (class class class)co 7148  Fincfn 8501   · cmul 10534  ♯chash 13682  Basecbs 16475  +_gcplusg 16557  Scalarcsca 16560   ·_𝑠 cvsca 16561  Ringcrg 19289  DivRingcdr 19494  LModclmod 19626  LVecclvec 19866   freeLMod cfrlm 20882   Mat cmat 21008  dimcldim 30992

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1790  ax-4 1804  ax-5 1905  ax-6 1964  ax-7 2009  ax-8 2110  ax-9 2118  ax-10 2139  ax-11 2154  ax-12 2170  ax-ext 2791  ax-rep 5181  ax-sep 5194  ax-nul 5201  ax-pow 5257  ax-pr 5320  ax-un 7453  ax-reg 9048  ax-inf2 9096  ax-ac2 9877  ax-cnex 10585  ax-resscn 10586  ax-1cn 10587  ax-icn 10588  ax-addcl 10589  ax-addrcl 10590  ax-mulcl 10591  ax-mulrcl 10592  ax-mulcom 10593  ax-addass 10594  ax-mulass 10595  ax-distr 10596  ax-i2m1 10597  ax-1ne0 10598  ax-1rid 10599  ax-rnegex 10600  ax-rrecex 10601  ax-cnre 10602  ax-pre-lttri 10603  ax-pre-lttrn 10604  ax-pre-ltadd 10605  ax-pre-mulgt0 10606

This theorem depends on definitions:  df-bi 209  df-an 399  df-or 844  df-3or 1083  df-3an 1084  df-tru 1534  df-ex 1775  df-nf 1779  df-sb 2064  df-mo 2616  df-eu 2648  df-clab 2798  df-cleq 2812  df-clel 2891  df-nfc 2961  df-ne 3015  df-nel 3122  df-ral 3141  df-rex 3142  df-reu 3143  df-rmo 3144  df-rab 3145  df-v 3495  df-sbc 3771  df-csb 3882  df-dif 3937  df-un 3939  df-in 3941  df-ss 3950  df-pss 3952  df-nul 4290  df-if 4466  df-pw 4539  df-sn 4560  df-pr 4562  df-tp 4564  df-op 4566  df-ot 4568  df-uni 4831  df-int 4868  df-iun 4912  df-iin 4913  df-br 5058  df-opab 5120  df-mpt 5138  df-tr 5164  df-id 5453  df-eprel 5458  df-po 5467  df-so 5468  df-fr 5507  df-se 5508  df-we 5509  df-xp 5554  df-rel 5555  df-cnv 5556  df-co 5557  df-dm 5558  df-rn 5559  df-res 5560  df-ima 5561  df-pred 6141  df-ord 6187  df-on 6188  df-lim 6189  df-suc 6190  df-iota 6307  df-fun 6350  df-fn 6351  df-f 6352  df-f1 6353  df-fo 6354  df-f1o 6355  df-fv 6356  df-isom 6357  df-riota 7106  df-ov 7151  df-oprab 7152  df-mpo 7153  df-of 7401  df-rpss 7441  df-om 7573  df-1st 7681  df-2nd 7682  df-supp 7823  df-tpos 7884  df-wrecs 7939  df-recs 8000  df-rdg 8038  df-1o 8094  df-oadd 8098  df-er 8281  df-map 8400  df-ixp 8454  df-en 8502  df-dom 8503  df-sdom 8504  df-fin 8505  df-fsupp 8826  df-sup 8898  df-oi 8966  df-r1 9185  df-rank 9186  df-dju 9322  df-card 9360  df-acn 9363  df-ac 9534  df-pnf 10669  df-mnf 10670  df-xr 10671  df-ltxr 10672  df-le 10673  df-sub 10864  df-neg 10865  df-nn 11631  df-2 11692  df-3 11693  df-4 11694  df-5 11695  df-6 11696  df-7 11697  df-8 11698  df-9 11699  df-n0 11890  df-xnn0 11960  df-z 11974  df-dec 12091  df-uz 12236  df-fz 12885  df-fzo 13026  df-seq 13362  df-hash 13683  df-struct 16477  df-ndx 16478  df-slot 16479  df-base 16481  df-sets 16482  df-ress 16483  df-plusg 16570  df-mulr 16571  df-sca 16573  df-vsca 16574  df-ip 16575  df-tset 16576  df-ple 16577  df-ocomp 16578  df-ds 16579  df-hom 16581  df-cco 16582  df-0g 16707  df-gsum 16708  df-prds 16713  df-pws 16715  df-mre 16849  df-mrc 16850  df-mri 16851  df-acs 16852  df-proset 17530  df-drs 17531  df-poset 17548  df-ipo 17754  df-mgm 17844  df-sgrp 17893  df-mnd 17904  df-mhm 17948  df-submnd 17949  df-grp 18098  df-minusg 18099  df-sbg 18100  df-mulg 18217  df-subg 18268  df-ghm 18348  df-cntz 18439  df-cmn 18900  df-abl 18901  df-mgp 19232  df-ur 19244  df-ring 19291  df-oppr 19365  df-dvdsr 19383  df-unit 19384  df-invr 19414  df-drng 19496  df-subrg 19525  df-lmod 19628  df-lss 19696  df-lsp 19736  df-lmhm 19786  df-lbs 19839  df-lvec 19867  df-sra 19936  df-rgmod 19937  df-nzr 20023  df-dsmm 20868  df-frlm 20883  df-uvc 20919  df-mat 21009  df-dim 30993

This theorem is referenced by: (None)