Theorem riesz1 30000

Description: Part 1 of the Riesz representation theorem for bounded linear functionals. A linear functional is bounded iff its value can be expressed as an inner product. Part of Theorem 17.3 of [Halmos] p. 31. For part 2, see riesz2 30001. For the continuous linear functional version, see riesz3i 29997 and riesz4 29999. (Contributed by NM, 25-Apr-2006.) (New usage is discouraged.)

Assertion

Ref	Expression
riesz1	⊢ (𝑇 ∈ LinFn → ((normfn‘𝑇) ∈ ℝ ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)))

Distinct variable group:   𝑥,𝑦,𝑇

Proof of Theorem riesz1

Dummy variable 𝑧 is distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		lnfncnbd 29992	. 2 ⊢ (𝑇 ∈ LinFn → (𝑇 ∈ ContFn ↔ (normfn‘𝑇) ∈ ℝ))
2		elin 3859	. . . . 5 ⊢ (𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn) ↔ (𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑇 ∈ ContFn))
3		fveq1 6673	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑇 = if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0})) → (𝑇‘𝑥) = (if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0}))‘𝑥))
4	3	eqeq1d 2740	. . . . . . 7 ⊢ (𝑇 = if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0})) → ((𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦) ↔ (if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0}))‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)))
5	4	rexralbidv 3211	. . . . . 6 ⊢ (𝑇 = if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0})) → (∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦) ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0}))‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)))
6		inss1 4119	. . . . . . . 8 ⊢ (LinFn ∩ ContFn) ⊆ LinFn
7		0lnfn 29920	. . . . . . . . . 10 ⊢ ( ℋ × {0}) ∈ LinFn
8		0cnfn 29915	. . . . . . . . . 10 ⊢ ( ℋ × {0}) ∈ ContFn
9		elin 3859	. . . . . . . . . 10 ⊢ (( ℋ × {0}) ∈ (LinFn ∩ ContFn) ↔ (( ℋ × {0}) ∈ LinFn ∧ ( ℋ × {0}) ∈ ContFn))
10	7, 8, 9	mpbir2an 711	. . . . . . . . 9 ⊢ ( ℋ × {0}) ∈ (LinFn ∩ ContFn)
11	10	elimel 4483	. . . . . . . 8 ⊢ if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0})) ∈ (LinFn ∩ ContFn)
12	6, 11	sselii 3874	. . . . . . 7 ⊢ if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0})) ∈ LinFn
13		inss2 4120	. . . . . . . 8 ⊢ (LinFn ∩ ContFn) ⊆ ContFn
14	13, 11	sselii 3874	. . . . . . 7 ⊢ if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0})) ∈ ContFn
15	12, 14	riesz3i 29997	. . . . . 6 ⊢ ∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (if(𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn), 𝑇, ( ℋ × {0}))‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)
16	5, 15	dedth 4472	. . . . 5 ⊢ (𝑇 ∈ (LinFn ∩ ContFn) → ∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦))
17	2, 16	sylbir 238	. . . 4 ⊢ ((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑇 ∈ ContFn) → ∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦))
18	17	ex 416	. . 3 ⊢ (𝑇 ∈ LinFn → (𝑇 ∈ ContFn → ∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)))
19		normcl 29060	. . . . . . 7 ⊢ (𝑦 ∈ ℋ → (normℎ‘𝑦) ∈ ℝ)
20	19	adantl 485	. . . . . 6 ⊢ ((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (normℎ‘𝑦) ∈ ℝ)
21		fveq2 6674	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦) → (abs‘(𝑇‘𝑥)) = (abs‘(𝑥 ·ih 𝑦)))
22	21	adantl 485	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑥 ∈ ℋ) ∧ 𝑦 ∈ ℋ) ∧ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)) → (abs‘(𝑇‘𝑥)) = (abs‘(𝑥 ·ih 𝑦)))
23		bcs 29116	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑥 ∈ ℋ ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (abs‘(𝑥 ·ih 𝑦)) ≤ ((normℎ‘𝑥) · (normℎ‘𝑦)))
24		normcl 29060	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (𝑥 ∈ ℋ → (normℎ‘𝑥) ∈ ℝ)
25		recn 10705	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((normℎ‘𝑥) ∈ ℝ → (normℎ‘𝑥) ∈ ℂ)
26		recn 10705	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ ((normℎ‘𝑦) ∈ ℝ → (normℎ‘𝑦) ∈ ℂ)
27		mulcom 10701	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((normℎ‘𝑥) ∈ ℂ ∧ (normℎ‘𝑦) ∈ ℂ) → ((normℎ‘𝑥) · (normℎ‘𝑦)) = ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥)))
28	25, 26, 27	syl2an 599	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ (((normℎ‘𝑥) ∈ ℝ ∧ (normℎ‘𝑦) ∈ ℝ) → ((normℎ‘𝑥) · (normℎ‘𝑦)) = ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥)))
29	24, 19, 28	syl2an 599	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑥 ∈ ℋ ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → ((normℎ‘𝑥) · (normℎ‘𝑦)) = ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥)))
30	23, 29	breqtrd 5056	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑥 ∈ ℋ ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (abs‘(𝑥 ·ih 𝑦)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥)))
31	30	adantll 714	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑥 ∈ ℋ) ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (abs‘(𝑥 ·ih 𝑦)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥)))
32	31	adantr 484	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑥 ∈ ℋ) ∧ 𝑦 ∈ ℋ) ∧ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)) → (abs‘(𝑥 ·ih 𝑦)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥)))
33	22, 32	eqbrtrd 5052	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑥 ∈ ℋ) ∧ 𝑦 ∈ ℋ) ∧ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)) → (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥)))
34	33	ex 416	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑥 ∈ ℋ) ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → ((𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦) → (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥))))
35	34	an32s 652	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑦 ∈ ℋ) ∧ 𝑥 ∈ ℋ) → ((𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦) → (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥))))
36	35	ralimdva 3091	. . . . . 6 ⊢ ((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦) → ∀𝑥 ∈ ℋ (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥))))
37		oveq1 7177	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑧 = (normℎ‘𝑦) → (𝑧 · (normℎ‘𝑥)) = ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥)))
38	37	breq2d 5042	. . . . . . . 8 ⊢ (𝑧 = (normℎ‘𝑦) → ((abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ (𝑧 · (normℎ‘𝑥)) ↔ (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥))))
39	38	ralbidv 3109	. . . . . . 7 ⊢ (𝑧 = (normℎ‘𝑦) → (∀𝑥 ∈ ℋ (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ (𝑧 · (normℎ‘𝑥)) ↔ ∀𝑥 ∈ ℋ (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥))))
40	39	rspcev 3526	. . . . . 6 ⊢ (((normℎ‘𝑦) ∈ ℝ ∧ ∀𝑥 ∈ ℋ (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ ((normℎ‘𝑦) · (normℎ‘𝑥))) → ∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑥 ∈ ℋ (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ (𝑧 · (normℎ‘𝑥)))
41	20, 36, 40	syl6an 684	. . . . 5 ⊢ ((𝑇 ∈ LinFn ∧ 𝑦 ∈ ℋ) → (∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦) → ∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑥 ∈ ℋ (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ (𝑧 · (normℎ‘𝑥))))
42	41	rexlimdva 3194	. . . 4 ⊢ (𝑇 ∈ LinFn → (∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦) → ∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑥 ∈ ℋ (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ (𝑧 · (normℎ‘𝑥))))
43		lnfncon 29991	. . . 4 ⊢ (𝑇 ∈ LinFn → (𝑇 ∈ ContFn ↔ ∃𝑧 ∈ ℝ ∀𝑥 ∈ ℋ (abs‘(𝑇‘𝑥)) ≤ (𝑧 · (normℎ‘𝑥))))
44	42, 43	sylibrd 262	. . 3 ⊢ (𝑇 ∈ LinFn → (∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦) → 𝑇 ∈ ContFn))
45	18, 44	impbid 215	. 2 ⊢ (𝑇 ∈ LinFn → (𝑇 ∈ ContFn ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)))
46	1, 45	bitr3d 284	1 ⊢ (𝑇 ∈ LinFn → ((normfn‘𝑇) ∈ ℝ ↔ ∃𝑦 ∈ ℋ ∀𝑥 ∈ ℋ (𝑇‘𝑥) = (𝑥 ·ih 𝑦)))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 399   = wceq 1542   ∈ wcel 2114  ∀wral 3053  ∃wrex 3054   ∩ cin 3842  ifcif 4414  {csn 4516   class class class wbr 5030   × cxp 5523  ‘cfv 6339  (class class class)co 7170  ℂcc 10613  ℝcr 10614  0cc0 10615   · cmul 10620   ≤ cle 10754  abscabs 14683   ℋchba 28854   ·_ih csp 28857  norm_ℎcno 28858  norm_fncnmf 28886  ContFnccnfn 28888  LinFnclf 28889

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1802  ax-4 1816  ax-5 1917  ax-6 1975  ax-7 2020  ax-8 2116  ax-9 2124  ax-10 2145  ax-11 2162  ax-12 2179  ax-ext 2710  ax-rep 5154  ax-sep 5167  ax-nul 5174  ax-pow 5232  ax-pr 5296  ax-un 7479  ax-inf2 9177  ax-cc 9935  ax-cnex 10671  ax-resscn 10672  ax-1cn 10673  ax-icn 10674  ax-addcl 10675  ax-addrcl 10676  ax-mulcl 10677  ax-mulrcl 10678  ax-mulcom 10679  ax-addass 10680  ax-mulass 10681  ax-distr 10682  ax-i2m1 10683  ax-1ne0 10684  ax-1rid 10685  ax-rnegex 10686  ax-rrecex 10687  ax-cnre 10688  ax-pre-lttri 10689  ax-pre-lttrn 10690  ax-pre-ltadd 10691  ax-pre-mulgt0 10692  ax-pre-sup 10693  ax-addf 10694  ax-mulf 10695  ax-hilex 28934  ax-hfvadd 28935  ax-hvcom 28936  ax-hvass 28937  ax-hv0cl 28938  ax-hvaddid 28939  ax-hfvmul 28940  ax-hvmulid 28941  ax-hvmulass 28942  ax-hvdistr1 28943  ax-hvdistr2 28944  ax-hvmul0 28945  ax-hfi 29014  ax-his1 29017  ax-his2 29018  ax-his3 29019  ax-his4 29020  ax-hcompl 29137

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 400  df-or 847  df-3or 1089  df-3an 1090  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1787  df-nf 1791  df-sb 2075  df-mo 2540  df-eu 2570  df-clab 2717  df-cleq 2730  df-clel 2811  df-nfc 2881  df-ne 2935  df-nel 3039  df-ral 3058  df-rex 3059  df-reu 3060  df-rmo 3061  df-rab 3062  df-v 3400  df-sbc 3681  df-csb 3791  df-dif 3846  df-un 3848  df-in 3850  df-ss 3860  df-pss 3862  df-nul 4212  df-if 4415  df-pw 4490  df-sn 4517  df-pr 4519  df-tp 4521  df-op 4523  df-uni 4797  df-int 4837  df-iun 4883  df-iin 4884  df-br 5031  df-opab 5093  df-mpt 5111  df-tr 5137  df-id 5429  df-eprel 5434  df-po 5442  df-so 5443  df-fr 5483  df-se 5484  df-we 5485  df-xp 5531  df-rel 5532  df-cnv 5533  df-co 5534  df-dm 5535  df-rn 5536  df-res 5537  df-ima 5538  df-pred 6129  df-ord 6175  df-on 6176  df-lim 6177  df-suc 6178  df-iota 6297  df-fun 6341  df-fn 6342  df-f 6343  df-f1 6344  df-fo 6345  df-f1o 6346  df-fv 6347  df-isom 6348  df-riota 7127  df-ov 7173  df-oprab 7174  df-mpo 7175  df-of 7425  df-om 7600  df-1st 7714  df-2nd 7715  df-supp 7857  df-wrecs 7976  df-recs 8037  df-rdg 8075  df-1o 8131  df-2o 8132  df-oadd 8135  df-omul 8136  df-er 8320  df-map 8439  df-pm 8440  df-ixp 8508  df-en 8556  df-dom 8557  df-sdom 8558  df-fin 8559  df-fsupp 8907  df-fi 8948  df-sup 8979  df-inf 8980  df-oi 9047  df-card 9441  df-acn 9444  df-pnf 10755  df-mnf 10756  df-xr 10757  df-ltxr 10758  df-le 10759  df-sub 10950  df-neg 10951  df-div 11376  df-nn 11717  df-2 11779  df-3 11780  df-4 11781  df-5 11782  df-6 11783  df-7 11784  df-8 11785  df-9 11786  df-n0 11977  df-z 12063  df-dec 12180  df-uz 12325  df-q 12431  df-rp 12473  df-xneg 12590  df-xadd 12591  df-xmul 12592  df-ioo 12825  df-ico 12827  df-icc 12828  df-fz 12982  df-fzo 13125  df-fl 13253  df-seq 13461  df-exp 13522  df-hash 13783  df-cj 14548  df-re 14549  df-im 14550  df-sqrt 14684  df-abs 14685  df-clim 14935  df-rlim 14936  df-sum 15136  df-struct 16588  df-ndx 16589  df-slot 16590  df-base 16592  df-sets 16593  df-ress 16594  df-plusg 16681  df-mulr 16682  df-starv 16683  df-sca 16684  df-vsca 16685  df-ip 16686  df-tset 16687  df-ple 16688  df-ds 16690  df-unif 16691  df-hom 16692  df-cco 16693  df-rest 16799  df-topn 16800  df-0g 16818  df-gsum 16819  df-topgen 16820  df-pt 16821  df-prds 16824  df-xrs 16878  df-qtop 16883  df-imas 16884  df-xps 16886  df-mre 16960  df-mrc 16961  df-acs 16963  df-mgm 17968  df-sgrp 18017  df-mnd 18028  df-submnd 18073  df-mulg 18343  df-cntz 18565  df-cmn 19026  df-psmet 20209  df-xmet 20210  df-met 20211  df-bl 20212  df-mopn 20213  df-fbas 20214  df-fg 20215  df-cnfld 20218  df-top 21645  df-topon 21662  df-topsp 21684  df-bases 21697  df-cld 21770  df-ntr 21771  df-cls 21772  df-nei 21849  df-cn 21978  df-cnp 21979  df-lm 21980  df-t1 22065  df-haus 22066  df-tx 22313  df-hmeo 22506  df-fil 22597  df-fm 22689  df-flim 22690  df-flf 22691  df-xms 23073  df-ms 23074  df-tms 23075  df-cfil 24007  df-cau 24008  df-cmet 24009  df-grpo 28428  df-gid 28429  df-ginv 28430  df-gdiv 28431  df-ablo 28480  df-vc 28494  df-nv 28527  df-va 28530  df-ba 28531  df-sm 28532  df-0v 28533  df-vs 28534  df-nmcv 28535  df-ims 28536  df-dip 28636  df-ssp 28657  df-ph 28748  df-cbn 28798  df-hnorm 28903  df-hba 28904  df-hvsub 28906  df-hlim 28907  df-hcau 28908  df-sh 29142  df-ch 29156  df-oc 29187  df-ch0 29188  df-nmfn 29780  df-nlfn 29781  df-cnfn 29782  df-lnfn 29783

This theorem is referenced by:  rnbra  30042