HSE Home Hilbert Space Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  HSE Home  >  Th. List  >  nmopun Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem nmopun 31943
Description: Norm of a unitary Hilbert space operator. (Contributed by NM, 25-Feb-2006.) (New usage is discouraged.)
Assertion
Ref Expression
nmopun (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → (normop𝑇) = 1)

Proof of Theorem nmopun
Dummy variables 𝑥 𝑤 𝑦 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 unoplin 31849 . . . . 5 (𝑇 ∈ UniOp → 𝑇 ∈ LinOp)
2 lnopf 31788 . . . . 5 (𝑇 ∈ LinOp → 𝑇: ℋ⟶ ℋ)
31, 2syl 17 . . . 4 (𝑇 ∈ UniOp → 𝑇: ℋ⟶ ℋ)
4 nmopval 31785 . . . 4 (𝑇: ℋ⟶ ℋ → (normop𝑇) = sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}, ℝ*, < ))
53, 4syl 17 . . 3 (𝑇 ∈ UniOp → (normop𝑇) = sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}, ℝ*, < ))
65adantl 481 . 2 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → (normop𝑇) = sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}, ℝ*, < ))
7 nmopsetretHIL 31793 . . . . . . 7 (𝑇: ℋ⟶ ℋ → {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ)
8 ressxr 11218 . . . . . . 7 ℝ ⊆ ℝ*
97, 8sstrdi 3959 . . . . . 6 (𝑇: ℋ⟶ ℋ → {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ*)
103, 9syl 17 . . . . 5 (𝑇 ∈ UniOp → {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ*)
1110adantl 481 . . . 4 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ*)
12 1xr 11233 . . . 4 1 ∈ ℝ*
1311, 12jctir 520 . . 3 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → ({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ* ∧ 1 ∈ ℝ*))
14 vex 3451 . . . . . . 7 𝑧 ∈ V
15 eqeq1 2733 . . . . . . . . 9 (𝑥 = 𝑧 → (𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)) ↔ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦))))
1615anbi2d 630 . . . . . . . 8 (𝑥 = 𝑧 → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
1716rexbidv 3157 . . . . . . 7 (𝑥 = 𝑧 → (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
1814, 17elab 3646 . . . . . 6 (𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦))))
19 unopnorm 31846 . . . . . . . . . . 11 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (norm‘(𝑇𝑦)) = (norm𝑦))
2019eqeq2d 2740 . . . . . . . . . 10 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦)) ↔ 𝑧 = (norm𝑦)))
2120anbi2d 630 . . . . . . . . 9 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm𝑦))))
22 breq1 5110 . . . . . . . . . 10 (𝑧 = (norm𝑦) → (𝑧 ≤ 1 ↔ (norm𝑦) ≤ 1))
2322biimparc 479 . . . . . . . . 9 (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm𝑦)) → 𝑧 ≤ 1)
2421, 23biimtrdi 253 . . . . . . . 8 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦))) → 𝑧 ≤ 1))
2524rexlimdva 3134 . . . . . . 7 (𝑇 ∈ UniOp → (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦))) → 𝑧 ≤ 1))
2625imp 406 . . . . . 6 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦)))) → 𝑧 ≤ 1)
2718, 26sylan2b 594 . . . . 5 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}) → 𝑧 ≤ 1)
2827ralrimiva 3125 . . . 4 (𝑇 ∈ UniOp → ∀𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 ≤ 1)
2928adantl 481 . . 3 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → ∀𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 ≤ 1)
30 hne0 31476 . . . . . . . . . . 11 ( ℋ ≠ 0 ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ 𝑦 ≠ 0)
31 norm1hex 31180 . . . . . . . . . . 11 (∃𝑦 ∈ ℋ 𝑦 ≠ 0 ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ (norm𝑦) = 1)
3230, 31sylbb 219 . . . . . . . . . 10 ( ℋ ≠ 0 → ∃𝑦 ∈ ℋ (norm𝑦) = 1)
3332adantr 480 . . . . . . . . 9 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → ∃𝑦 ∈ ℋ (norm𝑦) = 1)
34 1le1 11806 . . . . . . . . . . . . . 14 1 ≤ 1
35 breq1 5110 . . . . . . . . . . . . . 14 ((norm𝑦) = 1 → ((norm𝑦) ≤ 1 ↔ 1 ≤ 1))
3634, 35mpbiri 258 . . . . . . . . . . . . 13 ((norm𝑦) = 1 → (norm𝑦) ≤ 1)
3736a1i 11 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → ((norm𝑦) = 1 → (norm𝑦) ≤ 1))
3819adantr 480 . . . . . . . . . . . . . . 15 (((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) ∧ (norm𝑦) = 1) → (norm‘(𝑇𝑦)) = (norm𝑦))
39 eqeq2 2741 . . . . . . . . . . . . . . . 16 ((norm𝑦) = 1 → ((norm‘(𝑇𝑦)) = (norm𝑦) ↔ (norm‘(𝑇𝑦)) = 1))
4039adantl 481 . . . . . . . . . . . . . . 15 (((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) ∧ (norm𝑦) = 1) → ((norm‘(𝑇𝑦)) = (norm𝑦) ↔ (norm‘(𝑇𝑦)) = 1))
4138, 40mpbid 232 . . . . . . . . . . . . . 14 (((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) ∧ (norm𝑦) = 1) → (norm‘(𝑇𝑦)) = 1)
4241eqcomd 2735 . . . . . . . . . . . . 13 (((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) ∧ (norm𝑦) = 1) → 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))
4342ex 412 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → ((norm𝑦) = 1 → 1 = (norm‘(𝑇𝑦))))
4437, 43jcad 512 . . . . . . . . . . 11 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → ((norm𝑦) = 1 → ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
4544adantll 714 . . . . . . . . . 10 ((( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → ((norm𝑦) = 1 → ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
4645reximdva 3146 . . . . . . . . 9 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → (∃𝑦 ∈ ℋ (norm𝑦) = 1 → ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
4733, 46mpd 15 . . . . . . . 8 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦))))
48 1ex 11170 . . . . . . . . 9 1 ∈ V
49 eqeq1 2733 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 = 1 → (𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)) ↔ 1 = (norm‘(𝑇𝑦))))
5049anbi2d 630 . . . . . . . . . 10 (𝑥 = 1 → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
5150rexbidv 3157 . . . . . . . . 9 (𝑥 = 1 → (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
5248, 51elab 3646 . . . . . . . 8 (1 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦))))
5347, 52sylibr 234 . . . . . . 7 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → 1 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))})
5453adantr 480 . . . . . 6 ((( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) ∧ 𝑧 ∈ ℝ) → 1 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))})
55 breq2 5111 . . . . . . 7 (𝑤 = 1 → (𝑧 < 𝑤𝑧 < 1))
5655rspcev 3588 . . . . . 6 ((1 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ∧ 𝑧 < 1) → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 < 𝑤)
5754, 56sylan 580 . . . . 5 (((( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) ∧ 𝑧 ∈ ℝ) ∧ 𝑧 < 1) → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 < 𝑤)
5857ex 412 . . . 4 ((( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) ∧ 𝑧 ∈ ℝ) → (𝑧 < 1 → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 < 𝑤))
5958ralrimiva 3125 . . 3 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → ∀𝑧 ∈ ℝ (𝑧 < 1 → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 < 𝑤))
60 supxr2 13274 . . 3 ((({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ* ∧ 1 ∈ ℝ*) ∧ (∀𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 ≤ 1 ∧ ∀𝑧 ∈ ℝ (𝑧 < 1 → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 < 𝑤))) → sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}, ℝ*, < ) = 1)
6113, 29, 59, 60syl12anc 836 . 2 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}, ℝ*, < ) = 1)
626, 61eqtrd 2764 1 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → (normop𝑇) = 1)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 206  wa 395   = wceq 1540  wcel 2109  {cab 2707  wne 2925  wral 3044  wrex 3053  wss 3914   class class class wbr 5107  wf 6507  cfv 6511  supcsup 9391  cr 11067  1c1 11069  *cxr 11207   < clt 11208  cle 11209  chba 30848  normcno 30852  0c0v 30853  0c0h 30864  normopcnop 30874  LinOpclo 30876  UniOpcuo 30878
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 5234  ax-sep 5251  ax-nul 5261  ax-pow 5320  ax-pr 5387  ax-un 7711  ax-cnex 11124  ax-resscn 11125  ax-1cn 11126  ax-icn 11127  ax-addcl 11128  ax-addrcl 11129  ax-mulcl 11130  ax-mulrcl 11131  ax-mulcom 11132  ax-addass 11133  ax-mulass 11134  ax-distr 11135  ax-i2m1 11136  ax-1ne0 11137  ax-1rid 11138  ax-rnegex 11139  ax-rrecex 11140  ax-cnre 11141  ax-pre-lttri 11142  ax-pre-lttrn 11143  ax-pre-ltadd 11144  ax-pre-mulgt0 11145  ax-pre-sup 11146  ax-hilex 30928  ax-hfvadd 30929  ax-hvcom 30930  ax-hvass 30931  ax-hv0cl 30932  ax-hvaddid 30933  ax-hfvmul 30934  ax-hvmulid 30935  ax-hvmulass 30936  ax-hvdistr1 30937  ax-hvdistr2 30938  ax-hvmul0 30939  ax-hfi 31008  ax-his1 31011  ax-his2 31012  ax-his3 31013  ax-his4 31014
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 3354  df-reu 3355  df-rab 3406  df-v 3449  df-sbc 3754  df-csb 3863  df-dif 3917  df-un 3919  df-in 3921  df-ss 3931  df-pss 3934  df-nul 4297  df-if 4489  df-pw 4565  df-sn 4590  df-pr 4592  df-op 4596  df-uni 4872  df-iun 4957  df-br 5108  df-opab 5170  df-mpt 5189  df-tr 5215  df-id 5533  df-eprel 5538  df-po 5546  df-so 5547  df-fr 5591  df-we 5593  df-xp 5644  df-rel 5645  df-cnv 5646  df-co 5647  df-dm 5648  df-rn 5649  df-res 5650  df-ima 5651  df-pred 6274  df-ord 6335  df-on 6336  df-lim 6337  df-suc 6338  df-iota 6464  df-fun 6513  df-fn 6514  df-f 6515  df-f1 6516  df-fo 6517  df-f1o 6518  df-fv 6519  df-riota 7344  df-ov 7390  df-oprab 7391  df-mpo 7392  df-om 7843  df-1st 7968  df-2nd 7969  df-frecs 8260  df-wrecs 8291  df-recs 8340  df-rdg 8378  df-er 8671  df-map 8801  df-en 8919  df-dom 8920  df-sdom 8921  df-sup 9393  df-pnf 11210  df-mnf 11211  df-xr 11212  df-ltxr 11213  df-le 11214  df-sub 11407  df-neg 11408  df-div 11836  df-nn 12187  df-2 12249  df-3 12250  df-4 12251  df-n0 12443  df-z 12530  df-uz 12794  df-rp 12952  df-seq 13967  df-exp 14027  df-cj 15065  df-re 15066  df-im 15067  df-sqrt 15201  df-abs 15202  df-grpo 30422  df-gid 30423  df-ablo 30474  df-vc 30488  df-nv 30521  df-va 30524  df-ba 30525  df-sm 30526  df-0v 30527  df-nmcv 30529  df-hnorm 30897  df-hba 30898  df-hvsub 30900  df-hlim 30901  df-sh 31136  df-ch 31150  df-ch0 31182  df-nmop 31768  df-lnop 31770  df-unop 31772
This theorem is referenced by:  unopbd  31944  unierri  32033
  Copyright terms: Public domain W3C validator