Theorem pmatcollpw3fi 21979

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 21976	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ0 𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑀 decompPMat 𝑛))))))
9		elnn0uz 12669	. . . . . 6 ⊢ (𝑠 ∈ ℕ0 ↔ 𝑠 ∈ (ℤ≥‘0))
10		fzn0 13316	. . . . . 6 ⊢ ((0...𝑠) ≠ ∅ ↔ 𝑠 ∈ (ℤ≥‘0))
11	9, 10	sylbb2 237	. . . . 5 ⊢ (𝑠 ∈ ℕ0 → (0...𝑠) ≠ ∅)
12		fz0ssnn0 13397	. . . . 5 ⊢ (0...𝑠) ⊆ ℕ0
13	11, 12	jctil 521	. . . 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 21977	. . . 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 594	. . 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 3162	. 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 397   ∧ w3a 1087   = wceq 1539   ∈ wcel 2104   ≠ wne 2941  ∃wrex 3071   ⊆ wss 3892  ∅c0 4262   ↦ cmpt 5164  ‘cfv 6458  (class class class)co 7307   ↑_m cmap 8646  Fincfn 8764  0cc0 10917  ℕ₀cn0 12279  ℤ_≥cuz 12628  ...cfz 13285  Basecbs 16957   ·_𝑠 cvsca 17011   Σ_g cgsu 17196  ._gcmg 18745  mulGrpcmgp 19765  CRingccrg 19829  var₁cv1 21392  Poly₁cpl1 21393   Mat cmat 21599   matToPolyMat cmat2pmat 21898   decompPMat cdecpmat 21956

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 1911  ax-6 1969  ax-7 2009  ax-8 2106  ax-9 2114  ax-10 2135  ax-11 2152  ax-12 2169  ax-ext 2707  ax-rep 5218  ax-sep 5232  ax-nul 5239  ax-pow 5297  ax-pr 5361  ax-un 7620  ax-cnex 10973  ax-resscn 10974  ax-1cn 10975  ax-icn 10976  ax-addcl 10977  ax-addrcl 10978  ax-mulcl 10979  ax-mulrcl 10980  ax-mulcom 10981  ax-addass 10982  ax-mulass 10983  ax-distr 10984  ax-i2m1 10985  ax-1ne0 10986  ax-1rid 10987  ax-rnegex 10988  ax-rrecex 10989  ax-cnre 10990  ax-pre-lttri 10991  ax-pre-lttrn 10992  ax-pre-ltadd 10993  ax-pre-mulgt0 10994

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 398  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1542  df-fal 1552  df-ex 1780  df-nf 1784  df-sb 2066  df-mo 2538  df-eu 2567  df-clab 2714  df-cleq 2728  df-clel 2814  df-nfc 2887  df-ne 2942  df-nel 3048  df-ral 3063  df-rex 3072  df-rmo 3285  df-reu 3286  df-rab 3287  df-v 3439  df-sbc 3722  df-csb 3838  df-dif 3895  df-un 3897  df-in 3899  df-ss 3909  df-pss 3911  df-nul 4263  df-if 4466  df-pw 4541  df-sn 4566  df-pr 4568  df-tp 4570  df-op 4572  df-ot 4574  df-uni 4845  df-int 4887  df-iun 4933  df-iin 4934  df-br 5082  df-opab 5144  df-mpt 5165  df-tr 5199  df-id 5500  df-eprel 5506  df-po 5514  df-so 5515  df-fr 5555  df-se 5556  df-we 5557  df-xp 5606  df-rel 5607  df-cnv 5608  df-co 5609  df-dm 5610  df-rn 5611  df-res 5612  df-ima 5613  df-pred 6217  df-ord 6284  df-on 6285  df-lim 6286  df-suc 6287  df-iota 6410  df-fun 6460  df-fn 6461  df-f 6462  df-f1 6463  df-fo 6464  df-f1o 6465  df-fv 6466  df-isom 6467  df-riota 7264  df-ov 7310  df-oprab 7311  df-mpo 7312  df-of 7565  df-ofr 7566  df-om 7745  df-1st 7863  df-2nd 7864  df-supp 8009  df-cur 8114  df-frecs 8128  df-wrecs 8159  df-recs 8233  df-rdg 8272  df-1o 8328  df-er 8529  df-map 8648  df-pm 8649  df-ixp 8717  df-en 8765  df-dom 8766  df-sdom 8767  df-fin 8768  df-fsupp 9173  df-sup 9245  df-oi 9313  df-card 9741  df-pnf 11057  df-mnf 11058  df-xr 11059  df-ltxr 11060  df-le 11061  df-sub 11253  df-neg 11254  df-nn 12020  df-2 12082  df-3 12083  df-4 12084  df-5 12085  df-6 12086  df-7 12087  df-8 12088  df-9 12089  df-n0 12280  df-z 12366  df-dec 12484  df-uz 12629  df-fz 13286  df-fzo 13429  df-seq 13768  df-hash 14091  df-struct 16893  df-sets 16910  df-slot 16928  df-ndx 16940  df-base 16958  df-ress 16987  df-plusg 17020  df-mulr 17021  df-sca 17023  df-vsca 17024  df-ip 17025  df-tset 17026  df-ple 17027  df-ds 17029  df-hom 17031  df-cco 17032  df-0g 17197  df-gsum 17198  df-prds 17203  df-pws 17205  df-mre 17340  df-mrc 17341  df-acs 17343  df-mgm 18371  df-sgrp 18420  df-mnd 18431  df-mhm 18475  df-submnd 18476  df-grp 18625  df-minusg 18626  df-sbg 18627  df-mulg 18746  df-subg 18797  df-ghm 18877  df-cntz 18968  df-cmn 19433  df-abl 19434  df-mgp 19766  df-ur 19783  df-srg 19787  df-ring 19830  df-cring 19831  df-subrg 20067  df-lmod 20170  df-lss 20239  df-sra 20479  df-rgmod 20480  df-dsmm 20984  df-frlm 20999  df-assa 21105  df-ascl 21107  df-psr 21157  df-mvr 21158  df-mpl 21159  df-opsr 21161  df-psr1 21396  df-vr1 21397  df-ply1 21398  df-coe1 21399  df-mamu 21578  df-mat 21600  df-mat2pmat 21901  df-decpmat 21957

This theorem is referenced by:  pmatcollpw3fi1  21982