Theorem pmatcollpw3fi 21915

Description: Write a polynomial matrix (over a commutative ring) as a finite sum of products of variable powers and constant matrices with scalar entries. (Contributed by AV, 4-Nov-2019.) (Revised by AV, 4-Dec-2019.) (Proof shortened by AV, 8-Dec-2019.)

Hypotheses

Ref	Expression
pmatcollpw.p	⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅)
pmatcollpw.c	⊢ 𝐶 = (𝑁 Mat 𝑃)
pmatcollpw.b	⊢ 𝐵 = (Base‘𝐶)
pmatcollpw.m	⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐶)
pmatcollpw.e	⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃))
pmatcollpw.x	⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅)
pmatcollpw.t	⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅)
pmatcollpw3.a	⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅)
pmatcollpw3.d	⊢ 𝐷 = (Base‘𝐴)

Assertion

Ref	Expression
pmatcollpw3fi	⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ0 ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))))

Distinct variable groups:   𝐵,𝑛   𝑛,𝑀   𝑛,𝑁   𝑃,𝑛   𝑅,𝑛   𝑛,𝑋   ↑ ,𝑛   𝐵,𝑠,𝑛   𝐶,𝑛   𝑀,𝑠   𝑁,𝑠   𝑅,𝑠   𝐵,𝑓   𝐶,𝑓,𝑛   𝐷,𝑓   𝑓,𝑀   𝑓,𝑁   𝑅,𝑓   𝑇,𝑓   𝑓,𝑋   ↑ ,𝑓   ∗ ,𝑓   𝑓,𝑠

Allowed substitution hints:   𝐴(𝑓,𝑛,𝑠)   𝐶(𝑠)   𝐷(𝑛,𝑠)   𝑃(𝑓,𝑠)   𝑇(𝑛,𝑠)   ↑ (𝑠)   ∗ (𝑛,𝑠)   𝑋(𝑠)

Proof of Theorem pmatcollpw3fi

Step	Hyp	Ref	Expression
1		pmatcollpw.p	. . 3 ⊢ 𝑃 = (Poly1‘𝑅)
2		pmatcollpw.c	. . 3 ⊢ 𝐶 = (𝑁 Mat 𝑃)
3		pmatcollpw.b	. . 3 ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐶)
4		pmatcollpw.m	. . 3 ⊢ ∗ = ( ·𝑠 ‘𝐶)
5		pmatcollpw.e	. . 3 ⊢ ↑ = (.g‘(mulGrp‘𝑃))
6		pmatcollpw.x	. . 3 ⊢ 𝑋 = (var1‘𝑅)
7		pmatcollpw.t	. . 3 ⊢ 𝑇 = (𝑁 matToPolyMat 𝑅)
8	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7	pmatcollpwfi 21912	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ0 𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑀 decompPMat 𝑛))))))
9		elnn0uz 12605	. . . . . 6 ⊢ (𝑠 ∈ ℕ0 ↔ 𝑠 ∈ (ℤ≥‘0))
10		fzn0 13252	. . . . . 6 ⊢ ((0...𝑠) ≠ ∅ ↔ 𝑠 ∈ (ℤ≥‘0))
11	9, 10	sylbb2 237	. . . . 5 ⊢ (𝑠 ∈ ℕ0 → (0...𝑠) ≠ ∅)
12		fz0ssnn0 13333	. . . . 5 ⊢ (0...𝑠) ⊆ ℕ0
13	11, 12	jctil 519	. . . 4 ⊢ (𝑠 ∈ ℕ0 → ((0...𝑠) ⊆ ℕ0 ∧ (0...𝑠) ≠ ∅))
14		pmatcollpw3.a	. . . . 5 ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅)
15		pmatcollpw3.d	. . . . 5 ⊢ 𝐷 = (Base‘𝐴)
16	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 14, 15	pmatcollpw3lem 21913	. . . 4 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ ((0...𝑠) ⊆ ℕ0 ∧ (0...𝑠) ≠ ∅)) → (𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑀 decompPMat 𝑛))))) → ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
17	13, 16	sylan2 592	. . 3 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) ∧ 𝑠 ∈ ℕ0) → (𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑀 decompPMat 𝑛))))) → ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
18	17	reximdva 3204	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (∃𝑠 ∈ ℕ0 𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑀 decompPMat 𝑛))))) → ∃𝑠 ∈ ℕ0 ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
19	8, 18	mpd 15	1 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ0 ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))))

Syntax hints:   → wi 4   ∧ wa 395   ∧ w3a 1085   = wceq 1541   ∈ wcel 2109   ≠ wne 2944  ∃wrex 3066   ⊆ wss 3891  ∅c0 4261   ↦ cmpt 5161  ‘cfv 6430  (class class class)co 7268   ↑_m cmap 8589  Fincfn 8707  0cc0 10855  ℕ₀cn0 12216  ℤ_≥cuz 12564  ...cfz 13221  Basecbs 16893   ·_𝑠 cvsca 16947   Σ_g cgsu 17132  ._gcmg 18681  mulGrpcmgp 19701  CRingccrg 19765  var₁cv1 21328  Poly₁cpl1 21329   Mat cmat 21535   matToPolyMat cmat2pmat 21834   decompPMat cdecpmat 21892

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1801  ax-4 1815  ax-5 1916  ax-6 1974  ax-7 2014  ax-8 2111  ax-9 2119  ax-10 2140  ax-11 2157  ax-12 2174  ax-ext 2710  ax-rep 5213  ax-sep 5226  ax-nul 5233  ax-pow 5291  ax-pr 5355  ax-un 7579  ax-cnex 10911  ax-resscn 10912  ax-1cn 10913  ax-icn 10914  ax-addcl 10915  ax-addrcl 10916  ax-mulcl 10917  ax-mulrcl 10918  ax-mulcom 10919  ax-addass 10920  ax-mulass 10921  ax-distr 10922  ax-i2m1 10923  ax-1ne0 10924  ax-1rid 10925  ax-rnegex 10926  ax-rrecex 10927  ax-cnre 10928  ax-pre-lttri 10929  ax-pre-lttrn 10930  ax-pre-ltadd 10931  ax-pre-mulgt0 10932

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 396  df-or 844  df-3or 1086  df-3an 1087  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1786  df-nf 1790  df-sb 2071  df-mo 2541  df-eu 2570  df-clab 2717  df-cleq 2731  df-clel 2817  df-nfc 2890  df-ne 2945  df-nel 3051  df-ral 3070  df-rex 3071  df-reu 3072  df-rmo 3073  df-rab 3074  df-v 3432  df-sbc 3720  df-csb 3837  df-dif 3894  df-un 3896  df-in 3898  df-ss 3908  df-pss 3910  df-nul 4262  df-if 4465  df-pw 4540  df-sn 4567  df-pr 4569  df-tp 4571  df-op 4573  df-ot 4575  df-uni 4845  df-int 4885  df-iun 4931  df-iin 4932  df-br 5079  df-opab 5141  df-mpt 5162  df-tr 5196  df-id 5488  df-eprel 5494  df-po 5502  df-so 5503  df-fr 5543  df-se 5544  df-we 5545  df-xp 5594  df-rel 5595  df-cnv 5596  df-co 5597  df-dm 5598  df-rn 5599  df-res 5600  df-ima 5601  df-pred 6199  df-ord 6266  df-on 6267  df-lim 6268  df-suc 6269  df-iota 6388  df-fun 6432  df-fn 6433  df-f 6434  df-f1 6435  df-fo 6436  df-f1o 6437  df-fv 6438  df-isom 6439  df-riota 7225  df-ov 7271  df-oprab 7272  df-mpo 7273  df-of 7524  df-ofr 7525  df-om 7701  df-1st 7817  df-2nd 7818  df-supp 7962  df-cur 8067  df-frecs 8081  df-wrecs 8112  df-recs 8186  df-rdg 8225  df-1o 8281  df-er 8472  df-map 8591  df-pm 8592  df-ixp 8660  df-en 8708  df-dom 8709  df-sdom 8710  df-fin 8711  df-fsupp 9090  df-sup 9162  df-oi 9230  df-card 9681  df-pnf 10995  df-mnf 10996  df-xr 10997  df-ltxr 10998  df-le 10999  df-sub 11190  df-neg 11191  df-nn 11957  df-2 12019  df-3 12020  df-4 12021  df-5 12022  df-6 12023  df-7 12024  df-8 12025  df-9 12026  df-n0 12217  df-z 12303  df-dec 12420  df-uz 12565  df-fz 13222  df-fzo 13365  df-seq 13703  df-hash 14026  df-struct 16829  df-sets 16846  df-slot 16864  df-ndx 16876  df-base 16894  df-ress 16923  df-plusg 16956  df-mulr 16957  df-sca 16959  df-vsca 16960  df-ip 16961  df-tset 16962  df-ple 16963  df-ds 16965  df-hom 16967  df-cco 16968  df-0g 17133  df-gsum 17134  df-prds 17139  df-pws 17141  df-mre 17276  df-mrc 17277  df-acs 17279  df-mgm 18307  df-sgrp 18356  df-mnd 18367  df-mhm 18411  df-submnd 18412  df-grp 18561  df-minusg 18562  df-sbg 18563  df-mulg 18682  df-subg 18733  df-ghm 18813  df-cntz 18904  df-cmn 19369  df-abl 19370  df-mgp 19702  df-ur 19719  df-srg 19723  df-ring 19766  df-cring 19767  df-subrg 20003  df-lmod 20106  df-lss 20175  df-sra 20415  df-rgmod 20416  df-dsmm 20920  df-frlm 20935  df-assa 21041  df-ascl 21043  df-psr 21093  df-mvr 21094  df-mpl 21095  df-opsr 21097  df-psr1 21332  df-vr1 21333  df-ply1 21334  df-coe1 21335  df-mamu 21514  df-mat 21536  df-mat2pmat 21837  df-decpmat 21893

This theorem is referenced by:  pmatcollpw3fi1  21918