| Metamath
Proof Explorer Theorem List (p. 229 of 503) | < Previous Next > | |
| Bad symbols? Try the
GIF version. |
||
|
Mirrors > Metamath Home Page > MPE Home Page > Theorem List Contents > Recent Proofs This page: Page List |
||
| Color key: | (1-31004) |
(31005-32527) |
(32528-50292) |
| Type | Label | Description | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Statement | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
According to Wikipedia ("Characteristic polynomial", 31-Jul-2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Characteristic_polynomial): "In linear algebra, the characteristic polynomial of a square matrix is a polynomial which is invariant under matrix similarity and has the eigenvalues as roots. It has the determinant and the trace of the matrix as coefficients.". Based on the definition of the characteristic polynomial of a square matrix (df-chpmat 22802) the eigenvalues and corresponding eigenvectors can be defined. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The characteristic polynomial of a matrix 𝐴 is the determinant of the characteristic matrix of 𝐴: (𝑡𝐼 − 𝐴). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Syntax | cchpmat 22801 | Extend class notation with the characteristic polynomial. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| class CharPlyMat | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Definition | df-chpmat 22802* | Define the characteristic polynomial of a square matrix. According to Wikipedia ("Characteristic polynomial", 31-Jul-2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Characteristic_polynomial): "The characteristic polynomial of [an n x n matrix] A, denoted by pA(t), is the polynomial defined by pA ( t ) = det ( t I - A ) where I denotes the n-by-n identity matrix.". In addition, however, the underlying ring must be commutative, see definition in [Lang], p. 561: " Let k be a commutative ring ... Let M be any n x n matrix in k ... We define the characteristic polynomial PM(t) to be the determinant det ( t In - M ) where In is the unit n x n matrix." To be more precise, the matrices A and I on the right hand side are matrices with coefficients of a polynomial ring. Therefore, the original matrix A over a given commutative ring must be transformed into corresponding matrices over the polynomial ring over the given ring. (Contributed by AV, 2-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ CharPlyMat = (𝑛 ∈ Fin, 𝑟 ∈ V ↦ (𝑚 ∈ (Base‘(𝑛 Mat 𝑟)) ↦ ((𝑛 maDet (Poly1‘𝑟))‘(((var1‘𝑟)( ·𝑠 ‘(𝑛 Mat (Poly1‘𝑟)))(1r‘(𝑛 Mat (Poly1‘𝑟))))(-g‘(𝑛 Mat (Poly1‘𝑟)))((𝑛 matToPolyMat 𝑟)‘𝑚))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chmatcl 22803 | Closure of the characteristic matrix of a matrix. (Contributed by AV, 25-Oct-2019.) (Proof shortened by AV, 29-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝐻 = ((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → 𝐻 ∈ (Base‘𝑌)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chmatval 22804 | The entries of the characteristic matrix of a matrix. (Contributed by AV, 2-Aug-2019.) (Proof shortened by AV, 10-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝐻 = ((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) & ⊢ ∼ = (-g‘𝑃) & ⊢ 0 = (0g‘𝑃) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝐼 ∈ 𝑁 ∧ 𝐽 ∈ 𝑁)) → (𝐼𝐻𝐽) = if(𝐼 = 𝐽, (𝑋 ∼ (𝐼(𝑇‘𝑀)𝐽)), ( 0 ∼ (𝐼(𝑇‘𝑀)𝐽)))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpmatfval 22805* | Value of the characteristic polynomial function. (Contributed by AV, 2-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝐷 = (𝑁 maDet 𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ 𝑉) → 𝐶 = (𝑚 ∈ 𝐵 ↦ (𝐷‘((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑚))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpmatval 22806 | The characteristic polynomial of a (square) matrix (expressed with a determinant). (Contributed by AV, 2-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝐷 = (𝑁 maDet 𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ 𝑉 ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐶‘𝑀) = (𝐷‘((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpmatply1 22807 | The characteristic polynomial of a (square) matrix over a commutative ring is a polynomial, see also the following remark in [Lang], p. 561: "[the characteristic polynomial] is an element of k[t]". (Contributed by AV, 2-Aug-2019.) (Proof shortened by AV, 29-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐸 = (Base‘𝑃) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐶‘𝑀) ∈ 𝐸) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpmatval2 22808* | The characteristic polynomial of a (square) matrix (expressed with the Leibnitz formula for the determinant). (Contributed by AV, 2-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝐺 = (SymGrp‘𝑁) & ⊢ 𝐻 = (Base‘𝐺) & ⊢ 𝑍 = (ℤRHom‘𝑃) & ⊢ 𝑆 = (pmSgn‘𝑁) & ⊢ 𝑈 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑃) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐶‘𝑀) = (𝑃 Σg (𝑝 ∈ 𝐻 ↦ (((𝑍 ∘ 𝑆)‘𝑝) × (𝑈 Σg (𝑥 ∈ 𝑁 ↦ ((𝑝‘𝑥)((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑀))𝑥))))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpmat0d 22809 | The characteristic polynomial of the empty matrix. (Contributed by AV, 6-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (∅ CharPlyMat 𝑅) ⇒ ⊢ (𝑅 ∈ Ring → (𝐶‘∅) = (1r‘(Poly1‘𝑅))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpmat1dlem 22810 | Lemma for chpmat1d 22811. (Contributed by AV, 7-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ − = (-g‘𝑃) & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐺 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) ⇒ ⊢ ((𝑅 ∈ Ring ∧ (𝑁 = {𝐼} ∧ 𝐼 ∈ 𝑉) ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐼((𝑋( ·𝑠 ‘𝐺)(1r‘𝐺))(-g‘𝐺)(𝑇‘𝑀))𝐼) = (𝑋 − (𝑆‘(𝐼𝑀𝐼)))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpmat1d 22811 | The characteristic polynomial of a matrix with dimension 1. (Contributed by AV, 7-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ − = (-g‘𝑃) & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) ⇒ ⊢ ((𝑅 ∈ CRing ∧ (𝑁 = {𝐼} ∧ 𝐼 ∈ 𝑉) ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐶‘𝑀) = (𝑋 − (𝑆‘(𝐼𝑀𝐼)))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpdmatlem0 22812 | Lemma 0 for chpdmat 22816. (Contributed by AV, 18-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 0 = (0g‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑃) & ⊢ 𝑄 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 1 = (1r‘𝑄) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑄) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → (𝑋 · 1 ) ∈ (Base‘𝑄)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpdmatlem1 22813 | Lemma 1 for chpdmat 22816. (Contributed by AV, 18-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 0 = (0g‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑃) & ⊢ 𝑄 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 1 = (1r‘𝑄) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑄) & ⊢ 𝑍 = (-g‘𝑄) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ((𝑋 · 1 )𝑍(𝑇‘𝑀)) ∈ (Base‘𝑄)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpdmatlem2 22814 | Lemma 2 for chpdmat 22816. (Contributed by AV, 18-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 0 = (0g‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑃) & ⊢ 𝑄 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 1 = (1r‘𝑄) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑄) & ⊢ 𝑍 = (-g‘𝑄) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) ⇒ ⊢ ((((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ 𝑖 ∈ 𝑁) ∧ 𝑗 ∈ 𝑁) ∧ 𝑖 ≠ 𝑗) ∧ (𝑖𝑀𝑗) = 0 ) → (𝑖((𝑋 · 1 )𝑍(𝑇‘𝑀))𝑗) = (0g‘𝑃)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpdmatlem3 22815 | Lemma 3 for chpdmat 22816. (Contributed by AV, 18-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 0 = (0g‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑃) & ⊢ 𝑄 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 1 = (1r‘𝑄) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑄) & ⊢ 𝑍 = (-g‘𝑄) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ 𝐾 ∈ 𝑁) → (𝐾((𝑋 · 1 )𝑍(𝑇‘𝑀))𝐾) = (𝑋 − (𝑆‘(𝐾𝑀𝐾)))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpdmat 22816* | The characteristic polynomial of a diagonal matrix. (Contributed by AV, 18-Aug-2019.) (Proof shortened by AV, 21-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 0 = (0g‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑃) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ ∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖 ≠ 𝑗 → (𝑖𝑀𝑗) = 0 )) → (𝐶‘𝑀) = (𝐺 Σg (𝑘 ∈ 𝑁 ↦ (𝑋 − (𝑆‘(𝑘𝑀𝑘)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpscmat 22817* | The characteristic polynomial of a (nonempty!) scalar matrix. (Contributed by AV, 21-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ ↑ = (.g‘𝐺) & ⊢ 𝐷 = {𝑚 ∈ (Base‘𝐴) ∣ ∃𝑐 ∈ (Base‘𝑅)∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, (0g‘𝑅))} & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑃) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing) ∧ (𝑀 ∈ 𝐷 ∧ 𝐼 ∈ 𝑁 ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑁 (𝑛𝑀𝑛) = 𝐸)) → (𝐶‘𝑀) = ((♯‘𝑁) ↑ (𝑋 − (𝑆‘𝐸)))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpscmat0 22818* | The characteristic polynomial of a (nonempty!) scalar matrix, expressed with its diagonal element. (Contributed by AV, 21-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ ↑ = (.g‘𝐺) & ⊢ 𝐷 = {𝑚 ∈ (Base‘𝐴) ∣ ∃𝑐 ∈ (Base‘𝑅)∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, (0g‘𝑅))} & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑃) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing) ∧ (𝑀 ∈ 𝐷 ∧ 𝐼 ∈ 𝑁 ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑁 (𝑛𝑀𝑛) = (𝐼𝑀𝐼))) → (𝐶‘𝑀) = ((♯‘𝑁) ↑ (𝑋 − (𝑆‘(𝐼𝑀𝐼))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpscmatgsumbin 22819* | The characteristic polynomial of a (nonempty!) scalar matrix, expressed as finite group sum of binomials. (Contributed by AV, 2-Sep-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ ↑ = (.g‘𝐺) & ⊢ 𝐷 = {𝑚 ∈ (Base‘𝐴) ∣ ∃𝑐 ∈ (Base‘𝑅)∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, (0g‘𝑅))} & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑃) & ⊢ 𝐹 = (.g‘𝑃) & ⊢ 𝐻 = (mulGrp‘𝑅) & ⊢ 𝐸 = (.g‘𝐻) & ⊢ 𝐼 = (invg‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑃) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing) ∧ (𝑀 ∈ 𝐷 ∧ 𝐽 ∈ 𝑁 ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑁 (𝑛𝑀𝑛) = (𝐽𝑀𝐽))) → (𝐶‘𝑀) = (𝑃 Σg (𝑙 ∈ (0...(♯‘𝑁)) ↦ (((♯‘𝑁)C𝑙)𝐹((((♯‘𝑁) − 𝑙)𝐸(𝐼‘(𝐽𝑀𝐽))) · (𝑙 ↑ 𝑋)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpscmatgsummon 22820* | The characteristic polynomial of a (nonempty!) scalar matrix, expressed as finite group sum of scaled monomials. (Contributed by AV, 2-Sep-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ ↑ = (.g‘𝐺) & ⊢ 𝐷 = {𝑚 ∈ (Base‘𝐴) ∣ ∃𝑐 ∈ (Base‘𝑅)∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, (0g‘𝑅))} & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ − = (-g‘𝑃) & ⊢ 𝐹 = (.g‘𝑃) & ⊢ 𝐻 = (mulGrp‘𝑅) & ⊢ 𝐸 = (.g‘𝐻) & ⊢ 𝐼 = (invg‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑃) & ⊢ 𝑍 = (.g‘𝑅) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing) ∧ (𝑀 ∈ 𝐷 ∧ 𝐽 ∈ 𝑁 ∧ ∀𝑛 ∈ 𝑁 (𝑛𝑀𝑛) = (𝐽𝑀𝐽))) → (𝐶‘𝑀) = (𝑃 Σg (𝑙 ∈ (0...(♯‘𝑁)) ↦ ((((♯‘𝑁)C𝑙)𝑍(((♯‘𝑁) − 𝑙)𝐸(𝐼‘(𝐽𝑀𝐽)))) · (𝑙 ↑ 𝑋))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chp0mat 22821 | The characteristic polynomial of the zero matrix. (Contributed by AV, 18-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ ↑ = (.g‘𝐺) & ⊢ 0 = (0g‘𝐴) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing) → (𝐶‘ 0 ) = ((♯‘𝑁) ↑ 𝑋)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chpidmat 22822 | The characteristic polynomial of the identity matrix. (Contributed by AV, 19-Aug-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝐺 = (mulGrp‘𝑃) & ⊢ ↑ = (.g‘𝐺) & ⊢ 𝐼 = (1r‘𝐴) & ⊢ 𝑆 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 1 = (1r‘𝑅) & ⊢ − = (-g‘𝑃) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing) → (𝐶‘𝐼) = ((♯‘𝑁) ↑ (𝑋 − (𝑆‘ 1 )))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chmaidscmat 22823 | The characteristic polynomial of a matrix multiplied with the identity matrix is a scalar matrix. (Contributed by AV, 30-Oct-2019.) (Revised by AV, 5-Jul-2022.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝐸 = (Base‘𝑃) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝐾 = (Base‘𝑌) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑆 = (𝑁 ScMat 𝑃) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ((𝐶‘𝑀) · 1 ) ∈ 𝑆) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In this subsection the function 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) is discussed. This function is involved in the representation of the product of the characteristic matrix of a given matrix and its adjunct as an infinite sum, see cpmadugsum 22853. Therefore, this function is called "characteristic factor function" (in short "chfacf") in the following. It plays an important role in the proof of the Cayley-Hamilton theorem, see cayhamlem1 22841, cayhamlem3 22862 and cayhamlem4 22863. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | fvmptnn04if 22824* | The function values of a mapping from the nonnegative integers with four distinct cases. (Contributed by AV, 10-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, 𝐴, if(𝑛 = 𝑆, 𝐶, if(𝑆 < 𝑛, 𝐷, 𝐵)))) & ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ ℕ) & ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0) & ⊢ (𝜑 → 𝑌 ∈ 𝑉) & ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑁 = 0) → 𝑌 = ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐴) & ⊢ ((𝜑 ∧ 0 < 𝑁 ∧ 𝑁 < 𝑆) → 𝑌 = ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐵) & ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑁 = 𝑆) → 𝑌 = ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐶) & ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑆 < 𝑁) → 𝑌 = ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐷) ⇒ ⊢ (𝜑 → (𝐺‘𝑁) = 𝑌) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | fvmptnn04ifa 22825* | The function value of a mapping from the nonnegative integers with four distinct cases for the first case. (Contributed by AV, 10-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, 𝐴, if(𝑛 = 𝑆, 𝐶, if(𝑆 < 𝑛, 𝐷, 𝐵)))) & ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ ℕ) & ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0) ⇒ ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑁 = 0 ∧ ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐴 ∈ 𝑉) → (𝐺‘𝑁) = ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐴) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | fvmptnn04ifb 22826* | The function value of a mapping from the nonnegative integers with four distinct cases for the second case. (Contributed by AV, 10-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, 𝐴, if(𝑛 = 𝑆, 𝐶, if(𝑆 < 𝑛, 𝐷, 𝐵)))) & ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ ℕ) & ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0) ⇒ ⊢ ((𝜑 ∧ (0 < 𝑁 ∧ 𝑁 < 𝑆) ∧ ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐵 ∈ 𝑉) → (𝐺‘𝑁) = ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐵) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | fvmptnn04ifc 22827* | The function value of a mapping from the nonnegative integers with four distinct cases for the third case. (Contributed by AV, 10-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, 𝐴, if(𝑛 = 𝑆, 𝐶, if(𝑆 < 𝑛, 𝐷, 𝐵)))) & ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ ℕ) & ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0) ⇒ ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑁 = 𝑆 ∧ ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐶 ∈ 𝑉) → (𝐺‘𝑁) = ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐶) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | fvmptnn04ifd 22828* | The function value of a mapping from the nonnegative integers with four distinct cases for the forth case. (Contributed by AV, 10-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, 𝐴, if(𝑛 = 𝑆, 𝐶, if(𝑆 < 𝑛, 𝐷, 𝐵)))) & ⊢ (𝜑 → 𝑆 ∈ ℕ) & ⊢ (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0) ⇒ ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑆 < 𝑁 ∧ ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐷 ∈ 𝑉) → (𝐺‘𝑁) = ⦋𝑁 / 𝑛⦌𝐷) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfisf 22829* | The "characteristic factor function" is a function from the nonnegative integers to polynomial matrices. (Contributed by AV, 8-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → 𝐺:ℕ0⟶(Base‘𝑌)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfisfcpmat 22830* | The "characteristic factor function" is a function from the nonnegative integers to constant polynomial matrices. (Contributed by AV, 19-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑆 = (𝑁 ConstPolyMat 𝑅) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → 𝐺:ℕ0⟶𝑆) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacffsupp 22831* | The "characteristic factor function" is finitely supported. (Contributed by AV, 20-Nov-2019.) (Proof shortened by AV, 23-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → 𝐺 finSupp (0g‘𝑌)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfscmulcl 22832* | Closure of a scaled value of the "characteristic factor function". (Contributed by AV, 9-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))) ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → ((𝐾 ↑ 𝑋) · (𝐺‘𝐾)) ∈ (Base‘𝑌)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfscmul0 22833* | A scaled value of the "characteristic factor function" is zero almost always. (Contributed by AV, 9-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))) ∧ 𝐾 ∈ (ℤ≥‘(𝑠 + 2))) → ((𝐾 ↑ 𝑋) · (𝐺‘𝐾)) = 0 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfscmulfsupp 22834* | A mapping of scaled values of the "characteristic factor function" is finitely supported. (Contributed by AV, 8-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · (𝐺‘𝑖))) finSupp 0 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfscmulgsum 22835* | Breaking up a sum of values of the "characteristic factor function" scaled by a polynomial. (Contributed by AV, 9-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ + = (+g‘𝑌) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → (𝑌 Σg (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · (𝐺‘𝑖)))) = ((𝑌 Σg (𝑖 ∈ (1...𝑠) ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · ((𝑇‘(𝑏‘(𝑖 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑖))))))) + ((((𝑠 + 1) ↑ 𝑋) · (𝑇‘(𝑏‘𝑠))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfpmmulcl 22836* | Closure of the value of the "characteristic factor function" multiplied with a constant polynomial matrix. (Contributed by AV, 23-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑌)) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))) ∧ 𝐾 ∈ ℕ0) → ((𝐾 ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝐺‘𝐾)) ∈ (Base‘𝑌)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfpmmul0 22837* | The value of the "characteristic factor function" multiplied with a constant polynomial matrix is zero almost always. (Contributed by AV, 23-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑌)) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))) ∧ 𝐾 ∈ (ℤ≥‘(𝑠 + 2))) → ((𝐾 ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝐺‘𝐾)) = 0 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfpmmulfsupp 22838* | A mapping of values of the "characteristic factor function" multiplied with a constant polynomial matrix is finitely supported. (Contributed by AV, 23-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑌)) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝐺‘𝑖))) finSupp 0 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfpmmulgsum 22839* | Breaking up a sum of values of the "characteristic factor function" multiplied with a constant polynomial matrix. (Contributed by AV, 23-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑌)) & ⊢ + = (+g‘𝑌) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → (𝑌 Σg (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝐺‘𝑖)))) = ((𝑌 Σg (𝑖 ∈ (1...𝑠) ↦ ((𝑖 ↑ (𝑇‘𝑀)) × ((𝑇‘(𝑏‘(𝑖 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑖))))))) + ((((𝑠 + 1) ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝑇‘(𝑏‘𝑠))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chfacfpmmulgsum2 22840* | Breaking up a sum of values of the "characteristic factor function" multiplied with a constant polynomial matrix. (Contributed by AV, 23-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑌)) & ⊢ + = (+g‘𝑌) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → (𝑌 Σg (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝐺‘𝑖)))) = ((𝑌 Σg (𝑖 ∈ (1...𝑠) ↦ (((𝑖 ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝑇‘(𝑏‘(𝑖 − 1)))) − (((𝑖 + 1) ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝑇‘(𝑏‘𝑖)))))) + ((((𝑠 + 1) ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝑇‘(𝑏‘𝑠))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cayhamlem1 22841* | Lemma 1 for cayleyhamilton 22865. (Contributed by AV, 11-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑌)) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → (𝑌 Σg (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ (𝑇‘𝑀)) × (𝐺‘𝑖)))) = 0 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In this section, a direct algebraic proof for the Cayley-Hamilton theorem is
provided, according to Wikipedia ("Cayley-Hamilton theorem", 09-Nov-2019,
https://en.wikipedia.org/wiki/Cayley%E2%80%93Hamilton_theorem, section
"A direct algebraic proof" (this approach is also used for proving Lemma 1.9 in
[Hefferon] p. 427):
Using this notation, we have:
Following the proof shown in Wikipedia, the following steps are performed:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmadurid 22842 | The right-hand fundamental relation of the adjugate (see madurid 22619) applied to the characteristic matrix of a matrix. (Contributed by AV, 25-Oct-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝐼 = ((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) & ⊢ 𝐽 = (𝑁 maAdju 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐼 × (𝐽‘𝐼)) = ((𝐶‘𝑀) · 1 )) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmidgsum 22843* | Representation of the identity matrix multiplied with the characteristic polynomial of a matrix as group sum. (Contributed by AV, 7-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑈 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐻 = (𝐾 · 1 ) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → 𝐻 = (𝑌 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) · ((𝑈‘((coe1‘𝐾)‘𝑛)) · 1 ))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmidgsumm2pm 22844* | Representation of the identity matrix multiplied with the characteristic polynomial of a matrix as group sum with a matrix to polynomial matrix transformation. (Contributed by AV, 13-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑈 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐻 = (𝐾 · 1 ) & ⊢ 𝑂 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → 𝐻 = (𝑌 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) · (𝑇‘(((coe1‘𝐾)‘𝑛) ∗ 𝑂)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmidpmatlem1 22845* | Lemma 1 for cpmidpmat 22848. (Contributed by AV, 13-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑈 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐻 = (𝐾 · 1 ) & ⊢ 𝑂 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (((coe1‘𝐾)‘𝑘) ∗ 𝑂)) ⇒ ⊢ (𝐿 ∈ ℕ0 → (𝐺‘𝐿) = (((coe1‘𝐾)‘𝐿) ∗ 𝑂)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmidpmatlem2 22846* | Lemma 2 for cpmidpmat 22848. (Contributed by AV, 14-Nov-2019.) (Proof shortened by AV, 7-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑈 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐻 = (𝐾 · 1 ) & ⊢ 𝑂 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (((coe1‘𝐾)‘𝑘) ∗ 𝑂)) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → 𝐺 ∈ (𝐵 ↑m ℕ0)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmidpmatlem3 22847* | Lemma 3 for cpmidpmat 22848. (Contributed by AV, 14-Nov-2019.) (Proof shortened by AV, 7-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑈 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐻 = (𝐾 · 1 ) & ⊢ 𝑂 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑘 ∈ ℕ0 ↦ (((coe1‘𝐾)‘𝑘) ∗ 𝑂)) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → 𝐺 finSupp (0g‘𝐴)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmidpmat 22848* | Representation of the identity matrix multiplied with the characteristic polynomial of a matrix as polynomial over the ring of matrices. (Contributed by AV, 14-Nov-2019.) (Revised by AV, 7-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑈 = (algSc‘𝑃) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐻 = (𝐾 · 1 ) & ⊢ 𝑂 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝑊 = (Base‘𝑌) & ⊢ 𝑄 = (Poly1‘𝐴) & ⊢ 𝑍 = (var1‘𝐴) & ⊢ ∙ = ( ·𝑠 ‘𝑄) & ⊢ 𝐸 = (.g‘(mulGrp‘𝑄)) & ⊢ 𝐼 = (𝑁 pMatToMatPoly 𝑅) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐼‘𝐻) = (𝑄 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((((coe1‘𝐾)‘𝑛) ∗ 𝑂) ∙ (𝑛𝐸𝑍))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmadugsumlemB 22849* | Lemma B for cpmadugsum 22853. (Contributed by AV, 2-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ0 ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → ((𝑋 · 1 ) × (𝑌 Σg (𝑖 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · (𝑇‘(𝑏‘𝑖)))))) = (𝑌 Σg (𝑖 ∈ (0...𝑠) ↦ (((𝑖 + 1) ↑ 𝑋) · (𝑇‘(𝑏‘𝑖)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmadugsumlemC 22850* | Lemma C for cpmadugsum 22853. (Contributed by AV, 2-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ0 ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → ((𝑇‘𝑀) × (𝑌 Σg (𝑖 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · (𝑇‘(𝑏‘𝑖)))))) = (𝑌 Σg (𝑖 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑖))))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmadugsumlemF 22851* | Lemma F for cpmadugsum 22853. (Contributed by AV, 7-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ + = (+g‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → (((𝑋 · 1 ) × (𝑌 Σg (𝑖 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · (𝑇‘(𝑏‘𝑖)))))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑌 Σg (𝑖 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · (𝑇‘(𝑏‘𝑖))))))) = ((𝑌 Σg (𝑖 ∈ (1...𝑠) ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · ((𝑇‘(𝑏‘(𝑖 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑖))))))) + ((((𝑠 + 1) ↑ 𝑋) · (𝑇‘(𝑏‘𝑠))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmadugsumfi 22852* | The product of the characteristic matrix of a given matrix and its adjunct represented as finite sum. (Contributed by AV, 7-Nov-2019.) (Proof shortened by AV, 29-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ + = (+g‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 𝐼 = ((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) & ⊢ 𝐽 = (𝑁 maAdju 𝑃) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))(𝐼 × (𝐽‘𝐼)) = ((𝑌 Σg (𝑖 ∈ (1...𝑠) ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · ((𝑇‘(𝑏‘(𝑖 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑖))))))) + ((((𝑠 + 1) ↑ 𝑋) · (𝑇‘(𝑏‘𝑠))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmadugsum 22853* | The product of the characteristic matrix of a given matrix and its adjunct represented as an infinite sum. (Contributed by AV, 10-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ + = (+g‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 𝐼 = ((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) & ⊢ 𝐽 = (𝑁 maAdju 𝑃) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))(𝐼 × (𝐽‘𝐼)) = (𝑌 Σg (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · (𝐺‘𝑖))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmidgsum2 22854* | Representation of the identity matrix multiplied with the characteristic polynomial of a matrix as another group sum. (Contributed by AV, 10-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ + = (+g‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 𝐼 = ((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) & ⊢ 𝐽 = (𝑁 maAdju 𝑃) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐻 = (𝐾 · 1 ) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))𝐻 = (𝑌 Σg (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · (𝐺‘𝑖))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmidg2sum 22855* | Equality of two sums representing the identity matrix multiplied with the characteristic polynomial of a matrix. (Contributed by AV, 11-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ + = (+g‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 𝐼 = ((𝑋 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) & ⊢ 𝐽 = (𝑁 maAdju 𝑃) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝑈 = (algSc‘𝑃) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))(𝑌 Σg (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · ((𝑈‘((coe1‘𝐾)‘𝑖)) · 1 )))) = (𝑌 Σg (𝑖 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑖 ↑ 𝑋) · (𝐺‘𝑖))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmadumatpolylem1 22856* | Lemma 1 for cpmadumatpoly 22858. (Contributed by AV, 20-Nov-2019.) (Revised by AV, 15-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑆 = (𝑁 ConstPolyMat 𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑍 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝐷 = ((𝑍 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) & ⊢ 𝐽 = (𝑁 maAdju 𝑃) & ⊢ 𝑊 = (Base‘𝑌) & ⊢ 𝑄 = (Poly1‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝑄) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑄)) & ⊢ 𝑈 = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) ⇒ ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ 𝑠 ∈ ℕ) ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))) → (𝑈 ∘ 𝐺) ∈ (𝐵 ↑m ℕ0)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmadumatpolylem2 22857* | Lemma 2 for cpmadumatpoly 22858. (Contributed by AV, 20-Nov-2019.) (Revised by AV, 15-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑆 = (𝑁 ConstPolyMat 𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑍 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝐷 = ((𝑍 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) & ⊢ 𝐽 = (𝑁 maAdju 𝑃) & ⊢ 𝑊 = (Base‘𝑌) & ⊢ 𝑄 = (Poly1‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝑄) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑄)) & ⊢ 𝑈 = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) ⇒ ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ 𝑠 ∈ ℕ) ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))) → (𝑈 ∘ 𝐺) finSupp (0g‘𝐴)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cpmadumatpoly 22858* | The product of the characteristic matrix of a given matrix and its adjunct represented as a polynomial over matrices. (Contributed by AV, 20-Nov-2019.) (Revised by AV, 7-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑆 = (𝑁 ConstPolyMat 𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝑌) & ⊢ 𝑍 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝐷 = ((𝑍 · 1 ) − (𝑇‘𝑀)) & ⊢ 𝐽 = (𝑁 maAdju 𝑃) & ⊢ 𝑊 = (Base‘𝑌) & ⊢ 𝑄 = (Poly1‘𝐴) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝑄) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑄)) & ⊢ 𝑈 = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) & ⊢ 𝐼 = (𝑁 pMatToMatPoly 𝑅) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))(𝐼‘(𝐷 × (𝐽‘𝐷))) = (𝑄 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑈‘(𝐺‘𝑛)) ∗ (𝑛 ↑ 𝑋))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cayhamlem2 22859 | Lemma for cayhamlem3 22862. (Contributed by AV, 24-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐾 = (Base‘𝑅) & ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 1 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐴)) & ⊢ · = (.r‘𝐴) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝐻 ∈ (𝐾 ↑m ℕ0) ∧ 𝐿 ∈ ℕ0)) → ((𝐻‘𝐿) ∗ (𝐿 ↑ 𝑀)) = ((𝐿 ↑ 𝑀) · ((𝐻‘𝐿) ∗ 1 ))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chcoeffeqlem 22860* | Lemma for chcoeffeq 22861. (Contributed by AV, 21-Nov-2019.) (Proof shortened by AV, 7-Dec-2019.) (Revised by AV, 15-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑊 = (Base‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ 𝑈 = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝑠 ∈ ℕ ∧ 𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠)))) → (((Poly1‘𝐴) Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑈‘(𝐺‘𝑛))( ·𝑠 ‘(Poly1‘𝐴))(𝑛(.g‘(mulGrp‘(Poly1‘𝐴)))(var1‘𝐴))))) = ((Poly1‘𝐴) Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((((coe1‘𝐾)‘𝑛) ∗ 1 )( ·𝑠 ‘(Poly1‘𝐴))(𝑛(.g‘(mulGrp‘(Poly1‘𝐴)))(var1‘𝐴))))) → ∀𝑛 ∈ ℕ0 (𝑈‘(𝐺‘𝑛)) = (((coe1‘𝐾)‘𝑛) ∗ 1 ))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | chcoeffeq 22861* | The coefficients of the characteristic polynomial multiplied with the identity matrix represented by (transformed) ring elements obtained from the adjunct of the characteristic matrix. (Contributed by AV, 21-Nov-2019.) (Proof shortened by AV, 8-Dec-2019.) (Revised by AV, 15-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑊 = (Base‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ 𝑈 = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))∀𝑛 ∈ ℕ0 (𝑈‘(𝐺‘𝑛)) = (((coe1‘𝐾)‘𝑛) ∗ 1 )) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cayhamlem3 22862* | Lemma for cayhamlem4 22863. (Contributed by AV, 24-Nov-2019.) (Revised by AV, 15-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑊 = (Base‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ 𝑈 = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐴)) & ⊢ · = (.r‘𝐴) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))(𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (((coe1‘𝐾)‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑛 ↑ 𝑀) · (𝑈‘(𝐺‘𝑛)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cayhamlem4 22863* | Lemma for cayleyhamilton 22865. (Contributed by AV, 25-Nov-2019.) (Revised by AV, 15-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 0 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (𝐶‘𝑀) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, ( 0 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 0 , ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑊 = (Base‘𝑌) & ⊢ 1 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ 𝑈 = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐴)) & ⊢ 𝐸 = (.g‘(mulGrp‘𝑌)) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑏 ∈ (𝐵 ↑m (0...𝑠))(𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (((coe1‘𝐾)‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = (𝑈‘(𝑌 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝑛𝐸(𝑇‘𝑀)) × (𝐺‘𝑛)))))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cayleyhamilton0 22864* | The Cayley-Hamilton theorem: A matrix over a commutative ring "satisfies its own characteristic equation". This version of cayleyhamilton 22865 provides definitions not used in the theorem itself, but in its proof to make it clearer, more readable and shorter compared with a proof without them (see cayleyhamiltonALT 22866)! (Contributed by AV, 25-Nov-2019.) (Revised by AV, 15-Dec-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 0 = (0g‘𝐴) & ⊢ 1 = (1r‘𝐴) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐴)) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (coe1‘(𝐶‘𝑀)) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ 𝑌 = (𝑁 Mat 𝑃) & ⊢ × = (.r‘𝑌) & ⊢ − = (-g‘𝑌) & ⊢ 𝑍 = (0g‘𝑌) & ⊢ 𝑊 = (Base‘𝑌) & ⊢ 𝐸 = (.g‘(mulGrp‘𝑌)) & ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅) & ⊢ 𝐺 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ if(𝑛 = 0, (𝑍 − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘0)))), if(𝑛 = (𝑠 + 1), (𝑇‘(𝑏‘𝑠)), if((𝑠 + 1) < 𝑛, 𝑍, ((𝑇‘(𝑏‘(𝑛 − 1))) − ((𝑇‘𝑀) × (𝑇‘(𝑏‘𝑛)))))))) & ⊢ 𝑈 = (𝑁 cPolyMatToMat 𝑅) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐾‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = 0 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cayleyhamilton 22865* | 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.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 0 = (0g‘𝐴) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (coe1‘(𝐶‘𝑀)) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐴)) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐾‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = 0 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cayleyhamiltonALT 22866* | Alternate proof of cayleyhamilton 22865, the Cayley-Hamilton theorem. This proof does not use cayleyhamilton0 22864 directly, but has the same structure as the proof of cayleyhamilton0 22864. In contrast to the proof of cayleyhamilton0 22864, only the definitions required to formulate the theorem itself are used, causing the definitions used in the lemmas being expanded, which makes the proof longer and more difficult to read. (Contributed by AV, 25-Nov-2019.) (New usage is discouraged.) (Proof modification is discouraged.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 0 = (0g‘𝐴) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (coe1‘(𝐶‘𝑀)) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐴)) ⇒ ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐾‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = 0 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | cayleyhamilton1 22867* | The Cayley-Hamilton theorem: A matrix over a commutative ring "satisfies its own characteristic equation", or, in other words, a matrix over a commutative ring "inserted" into its characteristic polynomial results in zero. In this variant of cayleyhamilton 22865, the meaning of "inserted" is made more transparent: If the characteristic polynomial is a polynomial with coefficients (𝐹‘𝑛), then a matrix over a commutative ring "inserted" into its characteristic polynomial is the sum of these coefficients multiplied with the corresponding power of the matrix. (Contributed by AV, 25-Nov-2019.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅) & ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴) & ⊢ 0 = (0g‘𝐴) & ⊢ 𝐶 = (𝑁 CharPlyMat 𝑅) & ⊢ 𝐾 = (coe1‘(𝐶‘𝑀)) & ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐴) & ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝐴)) & ⊢ 𝐿 = (Base‘𝑅) & ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅) & ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅) & ⊢ · = ( ·𝑠 ‘𝑃) & ⊢ 𝐸 = (.g‘(mulGrp‘𝑃)) & ⊢ 𝑍 = (0g‘𝑅) ⇒ ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ (𝐹 ∈ (𝐿 ↑m ℕ0) ∧ 𝐹 finSupp 𝑍)) → ((𝐶‘𝑀) = (𝑃 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐹‘𝑛) · (𝑛𝐸𝑋)))) → (𝐴 Σg (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ ((𝐹‘𝑛) ∗ (𝑛 ↑ 𝑀)))) = 0 )) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A topology on a set is a set of subsets of that set, called open sets, which satisfy certain conditions. One condition is that the whole set be an open set. Therefore, a set is recoverable from a topology on it (as its union, see toponuni 22889), and it may sometimes be more convenient to consider topologies without reference to the underlying set. This is why we define successively the class of topologies (df-top 22869), then the function which associates with a set the set of topologies on it (df-topon 22886), and finally the class of topological spaces, as extensible structures having an underlying set and a topology on it (df-topsp 22908). Of course, a topology is the same thing as a topology on a set (see toprntopon 22900). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Syntax | ctop 22868 | Syntax for the class of topologies. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| class Top | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Definition | df-top 22869* |
Define the class of topologies. It is a proper class (see topnex 22971).
See istopg 22870 and istop2g 22871 for the corresponding characterizations,
using respectively binary intersections like in this definition and
nonempty finite intersections.
The final form of the definition is due to Bourbaki (Def. 1 of [BourbakiTop1] p. I.1), while the idea of defining a topology in terms of its open sets is due to Aleksandrov. For the convoluted history of the definitions of these notions, see Gregory H. Moore, The emergence of open sets, closed sets, and limit points in analysis and topology, Historia Mathematica 35 (2008) 220--241. (Contributed by NM, 3-Mar-2006.) (Revised by BJ, 20-Oct-2018.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ Top = {𝑥 ∣ (∀𝑦 ∈ 𝒫 𝑥∪ 𝑦 ∈ 𝑥 ∧ ∀𝑦 ∈ 𝑥 ∀𝑧 ∈ 𝑥 (𝑦 ∩ 𝑧) ∈ 𝑥)} | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | istopg 22870* |
Express the predicate "𝐽 is a topology". See istop2g 22871 for another
characterization using nonempty finite intersections instead of binary
intersections.
Note: In the literature, a topology is often represented by a calligraphic letter T, which resembles the letter J. This confusion may have led to J being used by some authors (e.g., K. D. Joshi, Introduction to General Topology (1983), p. 114) and it is convenient for us since we later use 𝑇 to represent linear transformations (operators). (Contributed by Stefan Allan, 3-Mar-2006.) (Revised by Mario Carneiro, 11-Nov-2013.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ 𝐴 → (𝐽 ∈ Top ↔ (∀𝑥(𝑥 ⊆ 𝐽 → ∪ 𝑥 ∈ 𝐽) ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐽 ∀𝑦 ∈ 𝐽 (𝑥 ∩ 𝑦) ∈ 𝐽))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | istop2g 22871* | Express the predicate "𝐽 is a topology" using nonempty finite intersections instead of binary intersections as in istopg 22870. (Contributed by NM, 19-Jul-2006.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ 𝐴 → (𝐽 ∈ Top ↔ (∀𝑥(𝑥 ⊆ 𝐽 → ∪ 𝑥 ∈ 𝐽) ∧ ∀𝑥((𝑥 ⊆ 𝐽 ∧ 𝑥 ≠ ∅ ∧ 𝑥 ∈ Fin) → ∩ 𝑥 ∈ 𝐽)))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | uniopn 22872 | The union of a subset of a topology (that is, the union of any family of open sets of a topology) is an open set. (Contributed by Stefan Allan, 27-Feb-2006.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ ((𝐽 ∈ Top ∧ 𝐴 ⊆ 𝐽) → ∪ 𝐴 ∈ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | iunopn 22873* | The indexed union of a subset of a topology is an open set. (Contributed by NM, 5-Oct-2006.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ ((𝐽 ∈ Top ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ 𝐽) → ∪ 𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | inopn 22874 | The intersection of two open sets of a topology is an open set. (Contributed by NM, 17-Jul-2006.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ ((𝐽 ∈ Top ∧ 𝐴 ∈ 𝐽 ∧ 𝐵 ∈ 𝐽) → (𝐴 ∩ 𝐵) ∈ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | fitop 22875 | A topology is closed under finite intersections. (Contributed by Jeff Hankins, 7-Oct-2009.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ Top → (fi‘𝐽) = 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | fiinopn 22876 | The intersection of a nonempty finite family of open sets is open. (Contributed by FL, 20-Apr-2012.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ Top → ((𝐴 ⊆ 𝐽 ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ 𝐴 ∈ Fin) → ∩ 𝐴 ∈ 𝐽)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | iinopn 22877* | The intersection of a nonempty finite family of open sets is open. (Contributed by Mario Carneiro, 14-Sep-2014.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ ((𝐽 ∈ Top ∧ (𝐴 ∈ Fin ∧ 𝐴 ≠ ∅ ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ 𝐽)) → ∩ 𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | unopn 22878 | The union of two open sets is open. (Contributed by Jeff Madsen, 2-Sep-2009.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ ((𝐽 ∈ Top ∧ 𝐴 ∈ 𝐽 ∧ 𝐵 ∈ 𝐽) → (𝐴 ∪ 𝐵) ∈ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | 0opn 22879 | The empty set is an open subset of any topology. (Contributed by Stefan Allan, 27-Feb-2006.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ Top → ∅ ∈ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | 0ntop 22880 | The empty set is not a topology. (Contributed by FL, 1-Jun-2008.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ ¬ ∅ ∈ Top | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | topopn 22881 | The underlying set of a topology is an open set. (Contributed by NM, 17-Jul-2006.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝑋 = ∪ 𝐽 ⇒ ⊢ (𝐽 ∈ Top → 𝑋 ∈ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | eltopss 22882 | A member of a topology is a subset of its underlying set. (Contributed by NM, 12-Sep-2006.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝑋 = ∪ 𝐽 ⇒ ⊢ ((𝐽 ∈ Top ∧ 𝐴 ∈ 𝐽) → 𝐴 ⊆ 𝑋) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | riinopn 22883* | A finite indexed relative intersection of open sets is open. (Contributed by Mario Carneiro, 22-Aug-2015.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝑋 = ∪ 𝐽 ⇒ ⊢ ((𝐽 ∈ Top ∧ 𝐴 ∈ Fin ∧ ∀𝑥 ∈ 𝐴 𝐵 ∈ 𝐽) → (𝑋 ∩ ∩ 𝑥 ∈ 𝐴 𝐵) ∈ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | rintopn 22884 | A finite relative intersection of open sets is open. (Contributed by Mario Carneiro, 22-Aug-2015.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝑋 = ∪ 𝐽 ⇒ ⊢ ((𝐽 ∈ Top ∧ 𝐴 ⊆ 𝐽 ∧ 𝐴 ∈ Fin) → (𝑋 ∩ ∩ 𝐴) ∈ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Syntax | ctopon 22885 | Syntax for the function of topologies on sets. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| class TopOn | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Definition | df-topon 22886* | Define the function that associates with a set the set of topologies on it. (Contributed by Stefan O'Rear, 31-Jan-2015.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ TopOn = (𝑏 ∈ V ↦ {𝑗 ∈ Top ∣ 𝑏 = ∪ 𝑗}) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | istopon 22887 | Property of being a topology with a given base set. (Contributed by Stefan O'Rear, 31-Jan-2015.) (Revised by Mario Carneiro, 13-Aug-2015.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ (TopOn‘𝐵) ↔ (𝐽 ∈ Top ∧ 𝐵 = ∪ 𝐽)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | topontop 22888 | A topology on a given base set is a topology. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Aug-2015.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ (TopOn‘𝐵) → 𝐽 ∈ Top) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | toponuni 22889 | The base set of a topology on a given base set. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Aug-2015.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ (TopOn‘𝐵) → 𝐵 = ∪ 𝐽) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | topontopi 22890 | A topology on a given base set is a topology. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Aug-2015.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐽 ∈ (TopOn‘𝐵) ⇒ ⊢ 𝐽 ∈ Top | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | toponunii 22891 | The base set of a topology on a given base set. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Aug-2015.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐽 ∈ (TopOn‘𝐵) ⇒ ⊢ 𝐵 = ∪ 𝐽 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | toptopon 22892 | Alternative definition of Top in terms of TopOn. (Contributed by Mario Carneiro, 13-Aug-2015.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝑋 = ∪ 𝐽 ⇒ ⊢ (𝐽 ∈ Top ↔ 𝐽 ∈ (TopOn‘𝑋)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | toptopon2 22893 | A topology is the same thing as a topology on the union of its open sets. (Contributed by BJ, 27-Apr-2021.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ Top ↔ 𝐽 ∈ (TopOn‘∪ 𝐽)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | topontopon 22894 | A topology on a set is a topology on the union of its open sets. (Contributed by BJ, 27-Apr-2021.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (𝐽 ∈ (TopOn‘𝑋) → 𝐽 ∈ (TopOn‘∪ 𝐽)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | funtopon 22895 | The class TopOn is a function. (Contributed by BJ, 29-Apr-2021.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ Fun TopOn | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | toponrestid 22896 | Given a topology on a set, restricting it to that same set has no effect. (Contributed by Jim Kingdon, 6-Jul-2022.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ 𝐴 ∈ (TopOn‘𝐵) ⇒ ⊢ 𝐴 = (𝐴 ↾t 𝐵) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | toponsspwpw 22897 | The set of topologies on a set is included in the double power set of that set. (Contributed by BJ, 29-Apr-2021.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ (TopOn‘𝐴) ⊆ 𝒫 𝒫 𝐴 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | dmtopon 22898 | The domain of TopOn is the universal class V. (Contributed by BJ, 29-Apr-2021.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ dom TopOn = V | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | fntopon 22899 | The class TopOn is a function with domain the universal class V. Analogue for topologies of fnmre 17544 for Moore collections. (Contributed by BJ, 29-Apr-2021.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ TopOn Fn V | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Theorem | toprntopon 22900 | A topology is the same thing as a topology on a set (variable-free version). (Contributed by BJ, 27-Apr-2021.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ⊢ Top = ∪ ran TopOn | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| < Previous Next > |
| Copyright terms: Public domain | < Previous Next > |