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

Theorem nmopun 32072
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 31978 . . . . 5 (𝑇 ∈ UniOp → 𝑇 ∈ LinOp)
2 lnopf 31917 . . . . 5 (𝑇 ∈ LinOp → 𝑇: ℋ⟶ ℋ)
31, 2syl 17 . . . 4 (𝑇 ∈ UniOp → 𝑇: ℋ⟶ ℋ)
4 nmopval 31914 . . . 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 31922 . . . . . . 7 (𝑇: ℋ⟶ ℋ → {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ)
8 ressxr 11180 . . . . . . 7 ℝ ⊆ ℝ*
97, 8sstrdi 3947 . . . . . 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 11195 . . . 4 1 ∈ ℝ*
1311, 12jctir 520 . . 3 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → ({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ* ∧ 1 ∈ ℝ*))
14 vex 3445 . . . . . . 7 𝑧 ∈ V
15 eqeq1 2741 . . . . . . . . 9 (𝑥 = 𝑧 → (𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)) ↔ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦))))
1615anbi2d 631 . . . . . . . 8 (𝑥 = 𝑧 → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
1716rexbidv 3161 . . . . . . 7 (𝑥 = 𝑧 → (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
1814, 17elab 3635 . . . . . 6 (𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦))))
19 unopnorm 31975 . . . . . . . . . . 11 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (norm‘(𝑇𝑦)) = (norm𝑦))
2019eqeq2d 2748 . . . . . . . . . 10 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦)) ↔ 𝑧 = (norm𝑦)))
2120anbi2d 631 . . . . . . . . 9 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm𝑦))))
22 breq1 5102 . . . . . . . . . 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 3138 . . . . . . 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 595 . . . . 5 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}) → 𝑧 ≤ 1)
2827ralrimiva 3129 . . . 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 31605 . . . . . . . . . . 11 ( ℋ ≠ 0 ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ 𝑦 ≠ 0)
31 norm1hex 31309 . . . . . . . . . . 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 11769 . . . . . . . . . . . . . 14 1 ≤ 1
35 breq1 5102 . . . . . . . . . . . . . 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 2749 . . . . . . . . . . . . . . . 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 2743 . . . . . . . . . . . . 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 715 . . . . . . . . . 10 ((( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → ((norm𝑦) = 1 → ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
4645reximdva 3150 . . . . . . . . 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 11132 . . . . . . . . 9 1 ∈ V
49 eqeq1 2741 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 = 1 → (𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)) ↔ 1 = (norm‘(𝑇𝑦))))
5049anbi2d 631 . . . . . . . . . 10 (𝑥 = 1 → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
5150rexbidv 3161 . . . . . . . . 9 (𝑥 = 1 → (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
5248, 51elab 3635 . . . . . . . 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 5103 . . . . . . 7 (𝑤 = 1 → (𝑧 < 𝑤𝑧 < 1))
5655rspcev 3577 . . . . . 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 581 . . . . 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 3129 . . 3 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → ∀𝑧 ∈ ℝ (𝑧 < 1 → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 < 𝑤))
60 supxr2 13233 . . 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 837 . 2 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}, ℝ*, < ) = 1)
626, 61eqtrd 2772 1 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → (normop𝑇) = 1)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 206  wa 395   = wceq 1542  wcel 2114  {cab 2715  wne 2933  wral 3052  wrex 3061  wss 3902   class class class wbr 5099  wf 6489  cfv 6493  supcsup 9347  cr 11029  1c1 11031  *cxr 11169   < clt 11170  cle 11171  chba 30977  normcno 30981  0c0v 30982  0c0h 30993  normopcnop 31003  LinOpclo 31005  UniOpcuo 31007
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1912  ax-6 1969  ax-7 2010  ax-8 2116  ax-9 2124  ax-10 2147  ax-11 2163  ax-12 2185  ax-ext 2709  ax-rep 5225  ax-sep 5242  ax-nul 5252  ax-pow 5311  ax-pr 5378  ax-un 7682  ax-cnex 11086  ax-resscn 11087  ax-1cn 11088  ax-icn 11089  ax-addcl 11090  ax-addrcl 11091  ax-mulcl 11092  ax-mulrcl 11093  ax-mulcom 11094  ax-addass 11095  ax-mulass 11096  ax-distr 11097  ax-i2m1 11098  ax-1ne0 11099  ax-1rid 11100  ax-rnegex 11101  ax-rrecex 11102  ax-cnre 11103  ax-pre-lttri 11104  ax-pre-lttrn 11105  ax-pre-ltadd 11106  ax-pre-mulgt0 11107  ax-pre-sup 11108  ax-hilex 31057  ax-hfvadd 31058  ax-hvcom 31059  ax-hvass 31060  ax-hv0cl 31061  ax-hvaddid 31062  ax-hfvmul 31063  ax-hvmulid 31064  ax-hvmulass 31065  ax-hvdistr1 31066  ax-hvdistr2 31067  ax-hvmul0 31068  ax-hfi 31137  ax-his1 31140  ax-his2 31141  ax-his3 31142  ax-his4 31143
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 849  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2069  df-mo 2540  df-eu 2570  df-clab 2716  df-cleq 2729  df-clel 2812  df-nfc 2886  df-ne 2934  df-nel 3038  df-ral 3053  df-rex 3062  df-rmo 3351  df-reu 3352  df-rab 3401  df-v 3443  df-sbc 3742  df-csb 3851  df-dif 3905  df-un 3907  df-in 3909  df-ss 3919  df-pss 3922  df-nul 4287  df-if 4481  df-pw 4557  df-sn 4582  df-pr 4584  df-op 4588  df-uni 4865  df-iun 4949  df-br 5100  df-opab 5162  df-mpt 5181  df-tr 5207  df-id 5520  df-eprel 5525  df-po 5533  df-so 5534  df-fr 5578  df-we 5580  df-xp 5631  df-rel 5632  df-cnv 5633  df-co 5634  df-dm 5635  df-rn 5636  df-res 5637  df-ima 5638  df-pred 6260  df-ord 6321  df-on 6322  df-lim 6323  df-suc 6324  df-iota 6449  df-fun 6495  df-fn 6496  df-f 6497  df-f1 6498  df-fo 6499  df-f1o 6500  df-fv 6501  df-riota 7317  df-ov 7363  df-oprab 7364  df-mpo 7365  df-om 7811  df-1st 7935  df-2nd 7936  df-frecs 8225  df-wrecs 8256  df-recs 8305  df-rdg 8343  df-er 8637  df-map 8769  df-en 8888  df-dom 8889  df-sdom 8890  df-sup 9349  df-pnf 11172  df-mnf 11173  df-xr 11174  df-ltxr 11175  df-le 11176  df-sub 11370  df-neg 11371  df-div 11799  df-nn 12150  df-2 12212  df-3 12213  df-4 12214  df-n0 12406  df-z 12493  df-uz 12756  df-rp 12910  df-seq 13929  df-exp 13989  df-cj 15026  df-re 15027  df-im 15028  df-sqrt 15162  df-abs 15163  df-grpo 30551  df-gid 30552  df-ablo 30603  df-vc 30617  df-nv 30650  df-va 30653  df-ba 30654  df-sm 30655  df-0v 30656  df-nmcv 30658  df-hnorm 31026  df-hba 31027  df-hvsub 31029  df-hlim 31030  df-sh 31265  df-ch 31279  df-ch0 31311  df-nmop 31897  df-lnop 31899  df-unop 31901
This theorem is referenced by:  unopbd  32073  unierri  32162
  Copyright terms: Public domain W3C validator