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Theorem polid 31139
Description: Polarization identity. Recovers inner product from norm. Exercise 4(a) of [ReedSimon] p. 63. The outermost operation is + instead of - due to our mathematicians' (rather than physicists') version of Axiom ax-his3 31064. (Contributed by NM, 17-Nov-2007.) (New usage is discouraged.)
Assertion
Ref Expression
polid ((𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐵 ∈ ℋ) → (𝐴 ·ih 𝐵) = (((((norm‘(𝐴 + 𝐵))↑2) − ((norm‘(𝐴 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(𝐴 + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(𝐴 (i · 𝐵)))↑2)))) / 4))

Proof of Theorem polid
StepHypRef Expression
1 oveq1 7353 . . 3 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → (𝐴 ·ih 𝐵) = (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) ·ih 𝐵))
2 fvoveq1 7369 . . . . . . 7 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → (norm‘(𝐴 + 𝐵)) = (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵)))
32oveq1d 7361 . . . . . 6 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → ((norm‘(𝐴 + 𝐵))↑2) = ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2))
4 fvoveq1 7369 . . . . . . 7 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → (norm‘(𝐴 𝐵)) = (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵)))
54oveq1d 7361 . . . . . 6 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → ((norm‘(𝐴 𝐵))↑2) = ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2))
63, 5oveq12d 7364 . . . . 5 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → (((norm‘(𝐴 + 𝐵))↑2) − ((norm‘(𝐴 𝐵))↑2)) = (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2)))
7 fvoveq1 7369 . . . . . . . 8 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → (norm‘(𝐴 + (i · 𝐵))) = (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵))))
87oveq1d 7361 . . . . . . 7 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → ((norm‘(𝐴 + (i · 𝐵)))↑2) = ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2))
9 fvoveq1 7369 . . . . . . . 8 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → (norm‘(𝐴 (i · 𝐵))) = (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵))))
109oveq1d 7361 . . . . . . 7 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → ((norm‘(𝐴 (i · 𝐵)))↑2) = ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2))
118, 10oveq12d 7364 . . . . . 6 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → (((norm‘(𝐴 + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(𝐴 (i · 𝐵)))↑2)) = (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2)))
1211oveq2d 7362 . . . . 5 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → (i · (((norm‘(𝐴 + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(𝐴 (i · 𝐵)))↑2))) = (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2))))
136, 12oveq12d 7364 . . . 4 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → ((((norm‘(𝐴 + 𝐵))↑2) − ((norm‘(𝐴 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(𝐴 + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(𝐴 (i · 𝐵)))↑2)))) = ((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2)))))
1413oveq1d 7361 . . 3 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → (((((norm‘(𝐴 + 𝐵))↑2) − ((norm‘(𝐴 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(𝐴 + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(𝐴 (i · 𝐵)))↑2)))) / 4) = (((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2)))) / 4))
151, 14eqeq12d 2747 . 2 (𝐴 = if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) → ((𝐴 ·ih 𝐵) = (((((norm‘(𝐴 + 𝐵))↑2) − ((norm‘(𝐴 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(𝐴 + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(𝐴 (i · 𝐵)))↑2)))) / 4) ↔ (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) ·ih 𝐵) = (((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2)))) / 4)))
16 oveq2 7354 . . 3 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) ·ih 𝐵) = (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) ·ih if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))
17 oveq2 7354 . . . . . . . 8 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵) = (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))
1817fveq2d 6826 . . . . . . 7 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵)) = (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))
1918oveq1d 7361 . . . . . 6 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2) = ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2))
20 oveq2 7354 . . . . . . . 8 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵) = (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))
2120fveq2d 6826 . . . . . . 7 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵)) = (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))
2221oveq1d 7361 . . . . . 6 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2) = ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2))
2319, 22oveq12d 7364 . . . . 5 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2)) = (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2)))
24 oveq2 7354 . . . . . . . . . 10 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (i · 𝐵) = (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))
2524oveq2d 7362 . . . . . . . . 9 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)) = (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))
2625fveq2d 6826 . . . . . . . 8 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵))) = (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))))
2726oveq1d 7361 . . . . . . 7 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) = ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2))
2824oveq2d 7362 . . . . . . . . 9 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)) = (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))
2928fveq2d 6826 . . . . . . . 8 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵))) = (norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))))
3029oveq1d 7361 . . . . . . 7 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2) = ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2))
3127, 30oveq12d 7364 . . . . . 6 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2)) = (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2)))
3231oveq2d 7362 . . . . 5 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2))) = (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2))))
3323, 32oveq12d 7364 . . . 4 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → ((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2)))) = ((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2)))))
3433oveq1d 7361 . . 3 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → (((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2)))) / 4) = (((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2)))) / 4))
3516, 34eqeq12d 2747 . 2 (𝐵 = if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) → ((if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) ·ih 𝐵) = (((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + 𝐵))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · 𝐵)))↑2)))) / 4) ↔ (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) ·ih if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)) = (((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2)))) / 4)))
36 ifhvhv0 31002 . . 3 if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) ∈ ℋ
37 ifhvhv0 31002 . . 3 if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0) ∈ ℋ
3836, 37polidi 31138 . 2 (if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) ·ih if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)) = (((((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0)))↑2)) + (i · (((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) + (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2) − ((norm‘(if(𝐴 ∈ ℋ, 𝐴, 0) − (i · if(𝐵 ∈ ℋ, 𝐵, 0))))↑2)))) / 4)
3915, 35, 38dedth2h 4532 1 ((𝐴 ∈ ℋ ∧ 𝐵 ∈ ℋ) → (𝐴 ·ih 𝐵) = (((((norm‘(𝐴 + 𝐵))↑2) − ((norm‘(𝐴 𝐵))↑2)) + (i · (((norm‘(𝐴 + (i · 𝐵)))↑2) − ((norm‘(𝐴 (i · 𝐵)))↑2)))) / 4))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 395   = wceq 1541  wcel 2111  ifcif 4472  cfv 6481  (class class class)co 7346  ici 11008   + caddc 11009   · cmul 11011  cmin 11344   / cdiv 11774  2c2 12180  4c4 12182  cexp 13968  chba 30899   + cva 30900   · csm 30901   ·ih csp 30902  normcno 30903  0c0v 30904   cmv 30905
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1796  ax-4 1810  ax-5 1911  ax-6 1968  ax-7 2009  ax-8 2113  ax-9 2121  ax-10 2144  ax-11 2160  ax-12 2180  ax-ext 2703  ax-sep 5232  ax-nul 5242  ax-pow 5301  ax-pr 5368  ax-un 7668  ax-cnex 11062  ax-resscn 11063  ax-1cn 11064  ax-icn 11065  ax-addcl 11066  ax-addrcl 11067  ax-mulcl 11068  ax-mulrcl 11069  ax-mulcom 11070  ax-addass 11071  ax-mulass 11072  ax-distr 11073  ax-i2m1 11074  ax-1ne0 11075  ax-1rid 11076  ax-rnegex 11077  ax-rrecex 11078  ax-cnre 11079  ax-pre-lttri 11080  ax-pre-lttrn 11081  ax-pre-ltadd 11082  ax-pre-mulgt0 11083  ax-pre-sup 11084  ax-hfvadd 30980  ax-hv0cl 30983  ax-hfvmul 30985  ax-hvmul0 30990  ax-hfi 31059  ax-his1 31062  ax-his2 31063  ax-his3 31064  ax-his4 31065
This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 848  df-3or 1087  df-3an 1088  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1781  df-nf 1785  df-sb 2068  df-mo 2535  df-eu 2564  df-clab 2710  df-cleq 2723  df-clel 2806  df-nfc 2881  df-ne 2929  df-nel 3033  df-ral 3048  df-rex 3057  df-rmo 3346  df-reu 3347  df-rab 3396  df-v 3438  df-sbc 3737  df-csb 3846  df-dif 3900  df-un 3902  df-in 3904  df-ss 3914  df-pss 3917  df-nul 4281  df-if 4473  df-pw 4549  df-sn 4574  df-pr 4576  df-op 4580  df-uni 4857  df-iun 4941  df-br 5090  df-opab 5152  df-mpt 5171  df-tr 5197  df-id 5509  df-eprel 5514  df-po 5522  df-so 5523  df-fr 5567  df-we 5569  df-xp 5620  df-rel 5621  df-cnv 5622  df-co 5623  df-dm 5624  df-rn 5625  df-res 5626  df-ima 5627  df-pred 6248  df-ord 6309  df-on 6310  df-lim 6311  df-suc 6312  df-iota 6437  df-fun 6483  df-fn 6484  df-f 6485  df-f1 6486  df-fo 6487  df-f1o 6488  df-fv 6489  df-riota 7303  df-ov 7349  df-oprab 7350  df-mpo 7351  df-om 7797  df-2nd 7922  df-frecs 8211  df-wrecs 8242  df-recs 8291  df-rdg 8329  df-er 8622  df-en 8870  df-dom 8871  df-sdom 8872  df-sup 9326  df-pnf 11148  df-mnf 11149  df-xr 11150  df-ltxr 11151  df-le 11152  df-sub 11346  df-neg 11347  df-div 11775  df-nn 12126  df-2 12188  df-3 12189  df-4 12190  df-n0 12382  df-z 12469  df-uz 12733  df-rp 12891  df-seq 13909  df-exp 13969  df-cj 15006  df-re 15007  df-im 15008  df-sqrt 15142  df-hnorm 30948  df-hvsub 30951
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