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

Theorem nmopun 32033
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 31939 . . . . 5 (𝑇 ∈ UniOp → 𝑇 ∈ LinOp)
2 lnopf 31878 . . . . 5 (𝑇 ∈ LinOp → 𝑇: ℋ⟶ ℋ)
31, 2syl 17 . . . 4 (𝑇 ∈ UniOp → 𝑇: ℋ⟶ ℋ)
4 nmopval 31875 . . . 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 31883 . . . . . . 7 (𝑇: ℋ⟶ ℋ → {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ)
8 ressxr 11305 . . . . . . 7 ℝ ⊆ ℝ*
97, 8sstrdi 3996 . . . . . 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 11320 . . . 4 1 ∈ ℝ*
1311, 12jctir 520 . . 3 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → ({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ⊆ ℝ* ∧ 1 ∈ ℝ*))
14 vex 3484 . . . . . . 7 𝑧 ∈ V
15 eqeq1 2741 . . . . . . . . 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 3179 . . . . . . 7 (𝑥 = 𝑧 → (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
1814, 17elab 3679 . . . . . 6 (𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))} ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘(𝑇𝑦))))
19 unopnorm 31936 . . . . . . . . . . 11 ((𝑇 ∈ UniOp ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (norm‘(𝑇𝑦)) = (norm𝑦))
2019eqeq2d 2748 . . . . . . . . . 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 5146 . . . . . . . . . 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 3155 . . . . . . 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 3146 . . . 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 31566 . . . . . . . . . . 11 ( ℋ ≠ 0 ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ 𝑦 ≠ 0)
31 norm1hex 31270 . . . . . . . . . . 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 11891 . . . . . . . . . . . . . 14 1 ≤ 1
35 breq1 5146 . . . . . . . . . . . . . 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 714 . . . . . . . . . 10 ((( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → ((norm𝑦) = 1 → ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
4645reximdva 3168 . . . . . . . . 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 11257 . . . . . . . . 9 1 ∈ V
49 eqeq1 2741 . . . . . . . . . . 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 3179 . . . . . . . . 9 (𝑥 = 1 → (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦))) ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘(𝑇𝑦)))))
5248, 51elab 3679 . . . . . . . 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 5147 . . . . . . 7 (𝑤 = 1 → (𝑧 < 𝑤𝑧 < 1))
5655rspcev 3622 . . . . . 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 3146 . . 3 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → ∀𝑧 ∈ ℝ (𝑧 < 1 → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘(𝑇𝑦)))}𝑧 < 𝑤))
60 supxr2 13356 . . 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 2777 1 (( ℋ ≠ 0𝑇 ∈ UniOp) → (normop𝑇) = 1)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 206  wa 395   = wceq 1540  wcel 2108  {cab 2714  wne 2940  wral 3061  wrex 3070  wss 3951   class class class wbr 5143  wf 6557  cfv 6561  supcsup 9480  cr 11154  1c1 11156  *cxr 11294   < clt 11295  cle 11296  chba 30938  normcno 30942  0c0v 30943  0c0h 30954  normopcnop 30964  LinOpclo 30966  UniOpcuo 30968
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 2007  ax-8 2110  ax-9 2118  ax-10 2141  ax-11 2157  ax-12 2177  ax-ext 2708  ax-rep 5279  ax-sep 5296  ax-nul 5306  ax-pow 5365  ax-pr 5432  ax-un 7755  ax-cnex 11211  ax-resscn 11212  ax-1cn 11213  ax-icn 11214  ax-addcl 11215  ax-addrcl 11216  ax-mulcl 11217  ax-mulrcl 11218  ax-mulcom 11219  ax-addass 11220  ax-mulass 11221  ax-distr 11222  ax-i2m1 11223  ax-1ne0 11224  ax-1rid 11225  ax-rnegex 11226  ax-rrecex 11227  ax-cnre 11228  ax-pre-lttri 11229  ax-pre-lttrn 11230  ax-pre-ltadd 11231  ax-pre-mulgt0 11232  ax-pre-sup 11233  ax-hilex 31018  ax-hfvadd 31019  ax-hvcom 31020  ax-hvass 31021  ax-hv0cl 31022  ax-hvaddid 31023  ax-hfvmul 31024  ax-hvmulid 31025  ax-hvmulass 31026  ax-hvdistr1 31027  ax-hvdistr2 31028  ax-hvmul0 31029  ax-hfi 31098  ax-his1 31101  ax-his2 31102  ax-his3 31103  ax-his4 31104
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 849  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1543  df-fal 1553  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2065  df-mo 2540  df-eu 2569  df-clab 2715  df-cleq 2729  df-clel 2816  df-nfc 2892  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3062  df-rex 3071  df-rmo 3380  df-reu 3381  df-rab 3437  df-v 3482  df-sbc 3789  df-csb 3900  df-dif 3954  df-un 3956  df-in 3958  df-ss 3968  df-pss 3971  df-nul 4334  df-if 4526  df-pw 4602  df-sn 4627  df-pr 4629  df-op 4633  df-uni 4908  df-iun 4993  df-br 5144  df-opab 5206  df-mpt 5226  df-tr 5260  df-id 5578  df-eprel 5584  df-po 5592  df-so 5593  df-fr 5637  df-we 5639  df-xp 5691  df-rel 5692  df-cnv 5693  df-co 5694  df-dm 5695  df-rn 5696  df-res 5697  df-ima 5698  df-pred 6321  df-ord 6387  df-on 6388  df-lim 6389  df-suc 6390  df-iota 6514  df-fun 6563  df-fn 6564  df-f 6565  df-f1 6566  df-fo 6567  df-f1o 6568  df-fv 6569  df-riota 7388  df-ov 7434  df-oprab 7435  df-mpo 7436  df-om 7888  df-1st 8014  df-2nd 8015  df-frecs 8306  df-wrecs 8337  df-recs 8411  df-rdg 8450  df-er 8745  df-map 8868  df-en 8986  df-dom 8987  df-sdom 8988  df-sup 9482  df-pnf 11297  df-mnf 11298  df-xr 11299  df-ltxr 11300  df-le 11301  df-sub 11494  df-neg 11495  df-div 11921  df-nn 12267  df-2 12329  df-3 12330  df-4 12331  df-n0 12527  df-z 12614  df-uz 12879  df-rp 13035  df-seq 14043  df-exp 14103  df-cj 15138  df-re 15139  df-im 15140  df-sqrt 15274  df-abs 15275  df-grpo 30512  df-gid 30513  df-ablo 30564  df-vc 30578  df-nv 30611  df-va 30614  df-ba 30615  df-sm 30616  df-0v 30617  df-nmcv 30619  df-hnorm 30987  df-hba 30988  df-hvsub 30990  df-hlim 30991  df-sh 31226  df-ch 31240  df-ch0 31272  df-nmop 31858  df-lnop 31860  df-unop 31862
This theorem is referenced by:  unopbd  32034  unierri  32123
  Copyright terms: Public domain W3C validator