Theorem minvec 25665

Description: Minimizing vector theorem, or the Hilbert projection theorem. There is exactly one vector in a complete subspace 𝑊 that minimizes the distance to an arbitrary vector 𝐴 in a parent inner product space. Theorem 3.3-1 of [Kreyszig] p. 144, specialized to subspaces instead of convex subsets. (Contributed by NM, 11-Apr-2008.) (Proof shortened by Mario Carneiro, 9-May-2014.) (Revised by Mario Carneiro, 15-Oct-2015.) (Proof shortened by AV, 3-Oct-2020.)

Hypotheses

Ref	Expression
minvec.x	⊢ 𝑋 = (Base‘𝑈)
minvec.m	⊢ − = (-g‘𝑈)
minvec.n	⊢ 𝑁 = (norm‘𝑈)
minvec.u	⊢ (𝜑 → 𝑈 ∈ ℂPreHil)
minvec.y	⊢ (𝜑 → 𝑌 ∈ (LSubSp‘𝑈))
minvec.w	⊢ (𝜑 → (𝑈 ↾s 𝑌) ∈ CMetSp)
minvec.a	⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ 𝑋)

Assertion

Ref	Expression
minvec	⊢ (𝜑 → ∃!𝑥 ∈ 𝑌 ∀𝑦 ∈ 𝑌 (𝑁‘(𝐴 − 𝑥)) ≤ (𝑁‘(𝐴 − 𝑦)))

Distinct variable groups:   𝑥,𝑦, −   𝑥,𝐴,𝑦   𝑥,𝑁,𝑦   𝜑,𝑥,𝑦   𝑥,𝑈,𝑦   𝑥,𝑋,𝑦   𝑥,𝑌,𝑦

Proof of Theorem minvec

Dummy variable 𝑗 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		minvec.x	. 2 ⊢ 𝑋 = (Base‘𝑈)
2		minvec.m	. 2 ⊢ − = (-g‘𝑈)
3		minvec.n	. 2 ⊢ 𝑁 = (norm‘𝑈)
4		minvec.u	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝑈 ∈ ℂPreHil)
5		minvec.y	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝑌 ∈ (LSubSp‘𝑈))
6		minvec.w	. 2 ⊢ (𝜑 → (𝑈 ↾s 𝑌) ∈ CMetSp)
7		minvec.a	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐴 ∈ 𝑋)
8		eqid 2760	. 2 ⊢ (TopOpen‘𝑈) = (TopOpen‘𝑈)
9		oveq2 7422	. . . . 5 ⊢ (𝑗 = 𝑦 → (𝐴 − 𝑗) = (𝐴 − 𝑦))
10	9	fveq2d 6883	. . . 4 ⊢ (𝑗 = 𝑦 → (𝑁‘(𝐴 − 𝑗)) = (𝑁‘(𝐴 − 𝑦)))
11	10	cbvmptv 5209	. . 3 ⊢ (𝑗 ∈ 𝑌 ↦ (𝑁‘(𝐴 − 𝑗))) = (𝑦 ∈ 𝑌 ↦ (𝑁‘(𝐴 − 𝑦)))
12	11	rneqi 5921	. 2 ⊢ ran (𝑗 ∈ 𝑌 ↦ (𝑁‘(𝐴 − 𝑗))) = ran (𝑦 ∈ 𝑌 ↦ (𝑁‘(𝐴 − 𝑦)))
13		eqid 2760	. 2 ⊢ inf(ran (𝑗 ∈ 𝑌 ↦ (𝑁‘(𝐴 − 𝑗))), ℝ, < ) = inf(ran (𝑗 ∈ 𝑌 ↦ (𝑁‘(𝐴 − 𝑗))), ℝ, < )
14		eqid 2760	. 2 ⊢ ((dist‘𝑈) ↾ (𝑋 × 𝑋)) = ((dist‘𝑈) ↾ (𝑋 × 𝑋))
15	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 12, 13, 14	minveclem7 25664	1 ⊢ (𝜑 → ∃!𝑥 ∈ 𝑌 ∀𝑦 ∈ 𝑌 (𝑁‘(𝐴 − 𝑥)) ≤ (𝑁‘(𝐴 − 𝑦)))

This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   = wceq 1570   ∈ wcel 2145  ∀wral 3076  ∃!wreu 3363   class class class wbr 5103   ↦ cmpt 5186   × cxp 5653  ran crn 5656   ↾ cres 5657  ‘cfv 6533  (class class class)co 7414  infcinf 9412  ℝcr 11124   < clt 11268   ≤ cle 11269  Basecbs 17302   ↾_s cress 17323  distcds 17352  TopOpenctopn 17507  -_gcsg 19060  LSubSpclss 21116  normcnm 24803  ℂPreHilccph 25395  CMetSpccms 25561

This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1943  ax-6 2000  ax-7 2041  ax-8 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2213  ax-ext 2732  ax-rep 5232  ax-sep 5251  ax-nul 5263  ax-pow 5330  ax-pr 5398  ax-un 7737  ax-cnex 11181  ax-resscn 11182  ax-1cn 11183  ax-icn 11184  ax-addcl 11185  ax-addrcl 11186  ax-mulcl 11187  ax-mulrcl 11188  ax-mulcom 11189  ax-addass 11190  ax-mulass 11191  ax-distr 11192  ax-i2m1 11193  ax-1ne0 11194  ax-1rid 11195  ax-rnegex 11196  ax-rrecex 11197  ax-cnre 11198  ax-pre-lttri 11199  ax-pre-lttrn 11200  ax-pre-ltadd 11201  ax-pre-mulgt0 11202  ax-pre-sup 11203  ax-addf 11204  ax-mulf 11205

This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2100  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3365  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3740  df-csb 3848  df-dif 3902  df-un 3904  df-in 3906  df-ss 3916  df-pss 3919  df-nul 4280  df-if 4483  df-pw 4559  df-sn 4585  df-pr 4587  df-tp 4589  df-op 4591  df-uni 4868  df-int 4908  df-iun 4953  df-iin 4954  df-br 5104  df-opab 5168  df-mpt 5187  df-tr 5213  df-id 5550  df-eprel 5555  df-po 5563  df-so 5564  df-fr 5608  df-we 5610  df-xp 5661  df-rel 5662  df-cnv 5663  df-co 5664  df-dm 5665  df-rn 5666  df-res 5667  df-ima 5668  df-pred 6299  df-ord 6360  df-on 6361  df-lim 6362  df-suc 6363  df-iota 6489  df-fun 6535  df-fn 6536  df-f 6537  df-f1 6538  df-fo 6539  df-f1o 6540  df-fv 6541  df-riota 7371  df-ov 7417  df-oprab 7418  df-mpo 7419  df-om 7864  df-1st 7987  df-2nd 7988  df-tpos 8225  df-frecs 8281  df-wrecs 8312  df-recs 8361  df-rdg 8400  df-1o 8456  df-er 8697  df-map 8829  df-en 8954  df-dom 8955  df-sdom 8956  df-fin 8957  df-fi 9382  df-sup 9413  df-inf 9414  df-pnf 11270  df-mnf 11271  df-xr 11272  df-ltxr 11273  df-le 11274  df-sub 11468  df-neg 11469  df-div 11897  df-nn 12259  df-2 12328  df-3 12329  df-4 12330  df-5 12331  df-6 12332  df-7 12333  df-8 12334  df-9 12335  df-n0 12530  df-z 12617  df-dec 12738  df-uz 12889  df-q 12999  df-rp 13044  df-xneg 13164  df-xadd 13165  df-xmul 13166  df-ico 13405  df-icc 13406  df-fz 13563  df-seq 14067  df-exp 14127  df-cj 15187  df-re 15188  df-im 15189  df-sqrt 15323  df-abs 15324  df-struct 17240  df-sets 17257  df-slot 17275  df-ndx 17287  df-base 17303  df-ress 17324  df-plusg 17356  df-mulr 17357  df-starv 17358  df-sca 17359  df-vsca 17360  df-ip 17361  df-tset 17362  df-ple 17363  df-ds 17365  df-unif 17366  df-rest 17508  df-0g 17527  df-topgen 17529  df-mgm 18731  df-sgrp 18822  df-mnd 18838  df-mhm 18892  df-grp 19061  df-minusg 19062  df-sbg 19063  df-mulg 19192  df-subg 19247  df-ghm 19342  df-cmn 19910  df-abl 19911  df-mgp 20275  df-rng 20289  df-ur 20322  df-ring 20375  df-cring 20376  df-oppr 20479  df-dvdsr 20499  df-unit 20500  df-invr 20530  df-dvr 20543  df-rhm 20614  df-subrg 20733  df-drng 20893  df-staf 21006  df-srng 21007  df-lmod 21047  df-lss 21117  df-lmhm 21207  df-lvec 21288  df-sra 21358  df-rgmod 21359  df-psmet 21578  df-xmet 21579  df-met 21580  df-bl 21581  df-mopn 21582  df-fbas 21583  df-fg 21584  df-cnfld 21587  df-phl 21840  df-top 23120  df-topon 23137  df-topsp 23159  df-bases 23172  df-cld 23245  df-ntr 23246  df-cls 23247  df-nei 23324  df-haus 23541  df-fil 24073  df-flim 24166  df-xms 24547  df-ms 24548  df-nm 24809  df-ngp 24810  df-nlm 24813  df-clm 25292  df-cph 25397  df-cfil 25484  df-cmet 25486  df-cms 25564

This theorem is used by:  pjthlem2  25667