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Theorem pjnmopi 29466
Description: The operator norm of a projector on a nonzero closed subspace is one. Part of Theorem 26.1 of [Halmos] p. 43. (Contributed by NM, 9-Apr-2006.) (New usage is discouraged.)
Hypothesis
Ref Expression
pjhmop.1 𝐻C
Assertion
Ref Expression
pjnmopi (𝐻 ≠ 0 → (normop‘(proj𝐻)) = 1)

Proof of Theorem pjnmopi
Dummy variables 𝑥 𝑤 𝑦 𝑧 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 pjhmop.1 . . . 4 𝐻C
21pjfi 29022 . . 3 (proj𝐻): ℋ⟶ ℋ
3 nmopval 29174 . . 3 ((proj𝐻): ℋ⟶ ℋ → (normop‘(proj𝐻)) = sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}, ℝ*, < ))
42, 3ax-mp 5 . 2 (normop‘(proj𝐻)) = sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}, ℝ*, < )
5 vex 3353 . . . . . 6 𝑧 ∈ V
6 eqeq1 2769 . . . . . . . 8 (𝑥 = 𝑧 → (𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ↔ 𝑧 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))))
76anbi2d 622 . . . . . . 7 (𝑥 = 𝑧 → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))) ↔ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))))
87rexbidv 3199 . . . . . 6 (𝑥 = 𝑧 → (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))) ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))))
95, 8elab 3507 . . . . 5 (𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))} ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))))
10 pjnorm 29042 . . . . . . . . . . 11 ((𝐻C𝑦 ∈ ℋ) → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ (norm𝑦))
111, 10mpan 681 . . . . . . . . . 10 (𝑦 ∈ ℋ → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ (norm𝑦))
121pjhcli 28736 . . . . . . . . . . . 12 (𝑦 ∈ ℋ → ((proj𝐻)‘𝑦) ∈ ℋ)
13 normcl 28441 . . . . . . . . . . . 12 (((proj𝐻)‘𝑦) ∈ ℋ → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ∈ ℝ)
1412, 13syl 17 . . . . . . . . . . 11 (𝑦 ∈ ℋ → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ∈ ℝ)
15 normcl 28441 . . . . . . . . . . 11 (𝑦 ∈ ℋ → (norm𝑦) ∈ ℝ)
16 1re 10295 . . . . . . . . . . . 12 1 ∈ ℝ
17 letr 10387 . . . . . . . . . . . 12 (((norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ∈ ℝ ∧ (norm𝑦) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ) → (((norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ (norm𝑦) ∧ (norm𝑦) ≤ 1) → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ 1))
1816, 17mp3an3 1574 . . . . . . . . . . 11 (((norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ∈ ℝ ∧ (norm𝑦) ∈ ℝ) → (((norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ (norm𝑦) ∧ (norm𝑦) ≤ 1) → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ 1))
1914, 15, 18syl2anc 579 . . . . . . . . . 10 (𝑦 ∈ ℋ → (((norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ (norm𝑦) ∧ (norm𝑦) ≤ 1) → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ 1))
2011, 19mpand 686 . . . . . . . . 9 (𝑦 ∈ ℋ → ((norm𝑦) ≤ 1 → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ 1))
2120imp 395 . . . . . . . 8 ((𝑦 ∈ ℋ ∧ (norm𝑦) ≤ 1) → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ 1)
22 breq1 4814 . . . . . . . . 9 (𝑧 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) → (𝑧 ≤ 1 ↔ (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ 1))
2322biimparc 471 . . . . . . . 8 (((norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))) → 𝑧 ≤ 1)
2421, 23sylan 575 . . . . . . 7 (((𝑦 ∈ ℋ ∧ (norm𝑦) ≤ 1) ∧ 𝑧 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))) → 𝑧 ≤ 1)
2524expl 449 . . . . . 6 (𝑦 ∈ ℋ → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))) → 𝑧 ≤ 1))
2625rexlimiv 3174 . . . . 5 (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑧 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))) → 𝑧 ≤ 1)
279, 26sylbi 208 . . . 4 (𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))} → 𝑧 ≤ 1)
2827rgen 3069 . . 3 𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}𝑧 ≤ 1
291cheli 28548 . . . . . . . . . 10 (𝑦𝐻𝑦 ∈ ℋ)
3029adantr 472 . . . . . . . . 9 ((𝑦𝐻 ∧ (norm𝑦) = 1) → 𝑦 ∈ ℋ)
3129, 15syl 17 . . . . . . . . . 10 (𝑦𝐻 → (norm𝑦) ∈ ℝ)
32 eqle 10395 . . . . . . . . . 10 (((norm𝑦) ∈ ℝ ∧ (norm𝑦) = 1) → (norm𝑦) ≤ 1)
3331, 32sylan 575 . . . . . . . . 9 ((𝑦𝐻 ∧ (norm𝑦) = 1) → (norm𝑦) ≤ 1)
34 pjid 29013 . . . . . . . . . . . . 13 ((𝐻C𝑦𝐻) → ((proj𝐻)‘𝑦) = 𝑦)
351, 34mpan 681 . . . . . . . . . . . 12 (𝑦𝐻 → ((proj𝐻)‘𝑦) = 𝑦)
3635fveq2d 6381 . . . . . . . . . . 11 (𝑦𝐻 → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) = (norm𝑦))
3736adantr 472 . . . . . . . . . 10 ((𝑦𝐻 ∧ (norm𝑦) = 1) → (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) = (norm𝑦))
38 simpr 477 . . . . . . . . . 10 ((𝑦𝐻 ∧ (norm𝑦) = 1) → (norm𝑦) = 1)
3937, 38eqtr2d 2800 . . . . . . . . 9 ((𝑦𝐻 ∧ (norm𝑦) = 1) → 1 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))
4030, 33, 39jca32 511 . . . . . . . 8 ((𝑦𝐻 ∧ (norm𝑦) = 1) → (𝑦 ∈ ℋ ∧ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))))
4140reximi2 3156 . . . . . . 7 (∃𝑦𝐻 (norm𝑦) = 1 → ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))))
421chne0i 28771 . . . . . . . 8 (𝐻 ≠ 0 ↔ ∃𝑦𝐻 𝑦 ≠ 0)
431chshii 28543 . . . . . . . . 9 𝐻S
4443norm1exi 28566 . . . . . . . 8 (∃𝑦𝐻 𝑦 ≠ 0 ↔ ∃𝑦𝐻 (norm𝑦) = 1)
4542, 44bitri 266 . . . . . . 7 (𝐻 ≠ 0 ↔ ∃𝑦𝐻 (norm𝑦) = 1)
46 1ex 10291 . . . . . . . 8 1 ∈ V
47 eqeq1 2769 . . . . . . . . . 10 (𝑥 = 1 → (𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)) ↔ 1 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))))
4847anbi2d 622 . . . . . . . . 9 (𝑥 = 1 → (((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))) ↔ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))))
4948rexbidv 3199 . . . . . . . 8 (𝑥 = 1 → (∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))) ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))))
5046, 49elab 3507 . . . . . . 7 (1 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))} ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 1 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦))))
5141, 45, 503imtr4i 283 . . . . . 6 (𝐻 ≠ 0 → 1 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))})
52 breq2 4815 . . . . . . 7 (𝑤 = 1 → (𝑧 < 𝑤𝑧 < 1))
5352rspcev 3462 . . . . . 6 ((1 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))} ∧ 𝑧 < 1) → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}𝑧 < 𝑤)
5451, 53sylan 575 . . . . 5 ((𝐻 ≠ 0𝑧 < 1) → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}𝑧 < 𝑤)
5554ex 401 . . . 4 (𝐻 ≠ 0 → (𝑧 < 1 → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}𝑧 < 𝑤))
5655ralrimivw 3114 . . 3 (𝐻 ≠ 0 → ∀𝑧 ∈ ℝ (𝑧 < 1 → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}𝑧 < 𝑤))
57 nmopsetretHIL 29182 . . . . . 6 ((proj𝐻): ℋ⟶ ℋ → {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))} ⊆ ℝ)
582, 57ax-mp 5 . . . . 5 {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))} ⊆ ℝ
59 ressxr 10339 . . . . 5 ℝ ⊆ ℝ*
6058, 59sstri 3772 . . . 4 {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))} ⊆ ℝ*
6116rexri 10353 . . . 4 1 ∈ ℝ*
62 supxr2 12349 . . . 4 ((({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))} ⊆ ℝ* ∧ 1 ∈ ℝ*) ∧ (∀𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}𝑧 ≤ 1 ∧ ∀𝑧 ∈ ℝ (𝑧 < 1 → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}𝑧 < 𝑤))) → sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}, ℝ*, < ) = 1)
6360, 61, 62mpanl12 693 . . 3 ((∀𝑧 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}𝑧 ≤ 1 ∧ ∀𝑧 ∈ ℝ (𝑧 < 1 → ∃𝑤 ∈ {𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}𝑧 < 𝑤)) → sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}, ℝ*, < ) = 1)
6428, 56, 63sylancr 581 . 2 (𝐻 ≠ 0 → sup({𝑥 ∣ ∃𝑦 ∈ ℋ ((norm𝑦) ≤ 1 ∧ 𝑥 = (norm‘((proj𝐻)‘𝑦)))}, ℝ*, < ) = 1)
654, 64syl5eq 2811 1 (𝐻 ≠ 0 → (normop‘(proj𝐻)) = 1)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 384   = wceq 1652  wcel 2155  {cab 2751  wne 2937  wral 3055  wrex 3056  wss 3734   class class class wbr 4811  wf 6066  cfv 6070  supcsup 8555  cr 10190  1c1 10192  *cxr 10329   < clt 10330  cle 10331  chba 28235  normcno 28239  0c0v 28240   C cch 28245  0c0h 28251  projcpjh 28253  normopcnop 28261
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1890  ax-4 1904  ax-5 2005  ax-6 2070  ax-7 2105  ax-8 2157  ax-9 2164  ax-10 2183  ax-11 2198  ax-12 2211  ax-13 2352  ax-ext 2743  ax-rep 4932  ax-sep 4943  ax-nul 4951  ax-pow 5003  ax-pr 5064  ax-un 7149  ax-inf2 8755  ax-cc 9512  ax-cnex 10247  ax-resscn 10248  ax-1cn 10249  ax-icn 10250  ax-addcl 10251  ax-addrcl 10252  ax-mulcl 10253  ax-mulrcl 10254  ax-mulcom 10255  ax-addass 10256  ax-mulass 10257  ax-distr 10258  ax-i2m1 10259  ax-1ne0 10260  ax-1rid 10261  ax-rnegex 10262  ax-rrecex 10263  ax-cnre 10264  ax-pre-lttri 10265  ax-pre-lttrn 10266  ax-pre-ltadd 10267  ax-pre-mulgt0 10268  ax-pre-sup 10269  ax-addf 10270  ax-mulf 10271  ax-hilex 28315  ax-hfvadd 28316  ax-hvcom 28317  ax-hvass 28318  ax-hv0cl 28319  ax-hvaddid 28320  ax-hfvmul 28321  ax-hvmulid 28322  ax-hvmulass 28323  ax-hvdistr1 28324  ax-hvdistr2 28325  ax-hvmul0 28326  ax-hfi 28395  ax-his1 28398  ax-his2 28399  ax-his3 28400  ax-his4 28401  ax-hcompl 28518
This theorem depends on definitions:  df-bi 198  df-an 385  df-or 874  df-3or 1108  df-3an 1109  df-tru 1656  df-fal 1666  df-ex 1875  df-nf 1879  df-sb 2063  df-mo 2565  df-eu 2582  df-clab 2752  df-cleq 2758  df-clel 2761  df-nfc 2896  df-ne 2938  df-nel 3041  df-ral 3060  df-rex 3061  df-reu 3062  df-rmo 3063  df-rab 3064  df-v 3352  df-sbc 3599  df-csb 3694  df-dif 3737  df-un 3739  df-in 3741  df-ss 3748  df-pss 3750  df-nul 4082  df-if 4246  df-pw 4319  df-sn 4337  df-pr 4339  df-tp 4341  df-op 4343  df-uni 4597  df-int 4636  df-iun 4680  df-iin 4681  df-br 4812  df-opab 4874  df-mpt 4891  df-tr 4914  df-id 5187  df-eprel 5192  df-po 5200  df-so 5201  df-fr 5238  df-se 5239  df-we 5240  df-xp 5285  df-rel 5286  df-cnv 5287  df-co 5288  df-dm 5289  df-rn 5290  df-res 5291  df-ima 5292  df-pred 5867  df-ord 5913  df-on 5914  df-lim 5915  df-suc 5916  df-iota 6033  df-fun 6072  df-fn 6073  df-f 6074  df-f1 6075  df-fo 6076  df-f1o 6077  df-fv 6078  df-isom 6079  df-riota 6805  df-ov 6847  df-oprab 6848  df-mpt2 6849  df-of 7097  df-om 7266  df-1st 7368  df-2nd 7369  df-supp 7500  df-wrecs 7612  df-recs 7674  df-rdg 7712  df-1o 7766  df-2o 7767  df-oadd 7770  df-omul 7771  df-er 7949  df-map 8064  df-pm 8065  df-ixp 8116  df-en 8163  df-dom 8164  df-sdom 8165  df-fin 8166  df-fsupp 8485  df-fi 8526  df-sup 8557  df-inf 8558  df-oi 8624  df-card 9018  df-acn 9021  df-cda 9245  df-pnf 10332  df-mnf 10333  df-xr 10334  df-ltxr 10335  df-le 10336  df-sub 10524  df-neg 10525  df-div 10941  df-nn 11277  df-2 11337  df-3 11338  df-4 11339  df-5 11340  df-6 11341  df-7 11342  df-8 11343  df-9 11344  df-n0 11541  df-z 11627  df-dec 11744  df-uz 11890  df-q 11993  df-rp 12032  df-xneg 12149  df-xadd 12150  df-xmul 12151  df-ioo 12384  df-ico 12386  df-icc 12387  df-fz 12537  df-fzo 12677  df-fl 12804  df-seq 13012  df-exp 13071  df-hash 13325  df-cj 14127  df-re 14128  df-im 14129  df-sqrt 14263  df-abs 14264  df-clim 14507  df-rlim 14508  df-sum 14705  df-struct 16135  df-ndx 16136  df-slot 16137  df-base 16139  df-sets 16140  df-ress 16141  df-plusg 16230  df-mulr 16231  df-starv 16232  df-sca 16233  df-vsca 16234  df-ip 16235  df-tset 16236  df-ple 16237  df-ds 16239  df-unif 16240  df-hom 16241  df-cco 16242  df-rest 16352  df-topn 16353  df-0g 16371  df-gsum 16372  df-topgen 16373  df-pt 16374  df-prds 16377  df-xrs 16431  df-qtop 16436  df-imas 16437  df-xps 16439  df-mre 16515  df-mrc 16516  df-acs 16518  df-mgm 17511  df-sgrp 17553  df-mnd 17564  df-submnd 17605  df-mulg 17811  df-cntz 18016  df-cmn 18464  df-psmet 20014  df-xmet 20015  df-met 20016  df-bl 20017  df-mopn 20018  df-fbas 20019  df-fg 20020  df-cnfld 20023  df-top 20981  df-topon 20998  df-topsp 21020  df-bases 21033  df-cld 21106  df-ntr 21107  df-cls 21108  df-nei 21185  df-cn 21314  df-cnp 21315  df-lm 21316  df-haus 21402  df-tx 21648  df-hmeo 21841  df-fil 21932  df-fm 22024  df-flim 22025  df-flf 22026  df-xms 22407  df-ms 22408  df-tms 22409  df-cfil 23335  df-cau 23336  df-cmet 23337  df-grpo 27807  df-gid 27808  df-ginv 27809  df-gdiv 27810  df-ablo 27859  df-vc 27873  df-nv 27906  df-va 27909  df-ba 27910  df-sm 27911  df-0v 27912  df-vs 27913  df-nmcv 27914  df-ims 27915  df-dip 28015  df-ssp 28036  df-ph 28127  df-cbn 28178  df-hnorm 28284  df-hba 28285  df-hvsub 28287  df-hlim 28288  df-hcau 28289  df-sh 28523  df-ch 28537  df-oc 28568  df-ch0 28569  df-shs 28626  df-pjh 28713  df-nmop 29157
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