Theorem pmatcollpw3fi1 22736

Description: Write a polynomial matrix (over a commutative ring) as a finite sum of (at least two) products of variable powers and constant matrices with scalar entries. (Contributed by AV, 6-Nov-2019.) (Revised by AV, 4-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
pmatcollpw3fi1	⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃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,𝑠   𝐷,𝑛   𝐴,𝑓,𝑛,𝑠   𝐶,𝑠   𝐷,𝑠   𝑇,𝑠   𝑋,𝑠   ↑ ,𝑠   ∗ ,𝑠

Allowed substitution hints:   𝑃(𝑓,𝑠)   𝑇(𝑛)   ∗ (𝑛)

Proof of Theorem pmatcollpw3fi1

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		pmatcollpw3.a	. . 3 ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅)
9		pmatcollpw3.d	. . 3 ⊢ 𝐷 = (Base‘𝐴)
10	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9	pmatcollpw3fi 22733	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ0 ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))))
11		df-n0 12406	. . . . 5 ⊢ ℕ0 = (ℕ ∪ {0})
12	11	rexeqi 3296	. . . 4 ⊢ (∃𝑠 ∈ ℕ0 ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) ↔ ∃𝑠 ∈ (ℕ ∪ {0})∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))))
13		rexun 4149	. . . 4 ⊢ (∃𝑠 ∈ (ℕ ∪ {0})∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) ↔ (∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) ∨ ∃𝑠 ∈ {0}∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
14	12, 13	bitri 275	. . 3 ⊢ (∃𝑠 ∈ ℕ0 ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) ↔ (∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) ∨ ∃𝑠 ∈ {0}∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
15		c0ex 11130	. . . . . 6 ⊢ 0 ∈ V
16		oveq2 7368	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑠 = 0 → (0...𝑠) = (0...0))
17		0z 12503	. . . . . . . . . 10 ⊢ 0 ∈ ℤ
18		fzsn 13486	. . . . . . . . . 10 ⊢ (0 ∈ ℤ → (0...0) = {0})
19	17, 18	mp1i 13	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑠 = 0 → (0...0) = {0})
20	16, 19	eqtrd 2772	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑠 = 0 → (0...𝑠) = {0})
21	20	oveq2d 7376	. . . . . . 7 ⊢ (𝑠 = 0 → (𝐷 ↑m (0...𝑠)) = (𝐷 ↑m {0}))
22	20	mpteq1d 5189	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑠 = 0 → (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))) = (𝑛 ∈ {0} ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))
23	22	oveq2d 7376	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑠 = 0 → (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ {0} ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))))
24	23	eqeq2d 2748	. . . . . . 7 ⊢ (𝑠 = 0 → (𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) ↔ 𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ {0} ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
25	21, 24	rexeqbidv 3318	. . . . . 6 ⊢ (𝑠 = 0 → (∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) ↔ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m {0})𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ {0} ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
26	15, 25	rexsn 4640	. . . . 5 ⊢ (∃𝑠 ∈ {0}∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) ↔ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m {0})𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ {0} ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))))
27	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9	pmatcollpw3fi1lem2 22735	. . . . . 6 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → (∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m {0})𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ {0} ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
28	27	com12 32	. . . . 5 ⊢ (∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m {0})𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ {0} ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) → ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
29	26, 28	sylbi 217	. . . 4 ⊢ (∃𝑠 ∈ {0}∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) → ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
30	29	jao1i 859	. . 3 ⊢ ((∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) ∨ ∃𝑠 ∈ {0}∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))) → ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
31	14, 30	sylbi 217	. 2 ⊢ (∃𝑠 ∈ ℕ0 ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))) → ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛)))))))
32	10, 31	mpcom 38	1 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ CRing ∧ 𝑀 ∈ 𝐵) → ∃𝑠 ∈ ℕ ∃𝑓 ∈ (𝐷 ↑m (0...𝑠))𝑀 = (𝐶 Σg (𝑛 ∈ (0...𝑠) ↦ ((𝑛 ↑ 𝑋) ∗ (𝑇‘(𝑓‘𝑛))))))

Syntax hints:   → wi 4   ∨ wo 848   ∧ w3a 1087   = wceq 1542   ∈ wcel 2114  ∃wrex 3061   ∪ cun 3900  {csn 4581   ↦ cmpt 5180  ‘cfv 6493  (class class class)co 7360   ↑_m cmap 8767  Fincfn 8887  0cc0 11030  ℕcn 12149  ℕ₀cn0 12405  ℤcz 12492  ...cfz 13427  Basecbs 17140   ·_𝑠 cvsca 17185   Σ_g cgsu 17364  ._gcmg 19001  mulGrpcmgp 20079  CRingccrg 20173  var₁cv1 22120  Poly₁cpl1 22121   Mat cmat 22355   matToPolyMat cmat2pmat 22652

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

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-tp 4586  df-op 4588  df-ot 4590  df-uni 4865  df-int 4904  df-iun 4949  df-iin 4950  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-se 5579  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-isom 6502  df-riota 7317  df-ov 7363  df-oprab 7364  df-mpo 7365  df-of 7624  df-ofr 7625  df-om 7811  df-1st 7935  df-2nd 7936  df-supp 8105  df-cur 8211  df-frecs 8225  df-wrecs 8256  df-recs 8305  df-rdg 8343  df-1o 8399  df-2o 8400  df-er 8637  df-map 8769  df-pm 8770  df-ixp 8840  df-en 8888  df-dom 8889  df-sdom 8890  df-fin 8891  df-fsupp 9269  df-sup 9349  df-oi 9419  df-card 9855  df-pnf 11172  df-mnf 11173  df-xr 11174  df-ltxr 11175  df-le 11176  df-sub 11370  df-neg 11371  df-nn 12150  df-2 12212  df-3 12213  df-4 12214  df-5 12215  df-6 12216  df-7 12217  df-8 12218  df-9 12219  df-n0 12406  df-z 12493  df-dec 12612  df-uz 12756  df-fz 13428  df-fzo 13575  df-seq 13929  df-hash 14258  df-struct 17078  df-sets 17095  df-slot 17113  df-ndx 17125  df-base 17141  df-ress 17162  df-plusg 17194  df-mulr 17195  df-sca 17197  df-vsca 17198  df-ip 17199  df-tset 17200  df-ple 17201  df-ds 17203  df-hom 17205  df-cco 17206  df-0g 17365  df-gsum 17366  df-prds 17371  df-pws 17373  df-mre 17509  df-mrc 17510  df-acs 17512  df-mgm 18569  df-sgrp 18648  df-mnd 18664  df-mhm 18712  df-submnd 18713  df-grp 18870  df-minusg 18871  df-sbg 18872  df-mulg 19002  df-subg 19057  df-ghm 19146  df-cntz 19250  df-cmn 19715  df-abl 19716  df-mgp 20080  df-rng 20092  df-ur 20121  df-srg 20126  df-ring 20174  df-cring 20175  df-subrng 20483  df-subrg 20507  df-lmod 20817  df-lss 20887  df-sra 21129  df-rgmod 21130  df-dsmm 21691  df-frlm 21706  df-assa 21812  df-ascl 21814  df-psr 21869  df-mvr 21870  df-mpl 21871  df-opsr 21873  df-psr1 22124  df-vr1 22125  df-ply1 22126  df-coe1 22127  df-mamu 22339  df-mat 22356  df-mat2pmat 22655  df-decpmat 22711

This theorem is referenced by:  cpmadugsumfi  22825