Theorem scmatmats 20685

Description: The set of an 𝑁 x 𝑁 scalar matrices over the ring 𝑅 expressed as a subset of 𝑁 x 𝑁 matrices over the ring 𝑅 with certain properties for their entries. (Contributed by AV, 31-Oct-2019.) (Revised by AV, 19-Dec-2019.)

Hypotheses

Ref	Expression
scmatmat.a	⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅)
scmatmat.b	⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴)
scmatmat.s	⊢ 𝑆 = (𝑁 ScMat 𝑅)
scmate.k	⊢ 𝐾 = (Base‘𝑅)
scmate.0	⊢ 0 = (0g‘𝑅)

Assertion

Ref	Expression
scmatmats	⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → 𝑆 = {𝑚 ∈ 𝐵 ∣ ∃𝑐 ∈ 𝐾 ∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, 0 )})

Distinct variable groups:   𝑁,𝑐   𝑅,𝑐   𝐾,𝑐   𝑆,𝑐   𝐴,𝑖,𝑗   𝐵,𝑐,𝑖,𝑗,𝑚   𝑖,𝐾,𝑗   𝑖,𝑁,𝑗,𝑚   𝑅,𝑖,𝑗,𝑚

Allowed substitution hints:   𝐴(𝑚,𝑐)   𝑆(𝑖,𝑗,𝑚)   𝐾(𝑚)   0 (𝑖,𝑗,𝑚,𝑐)

Proof of Theorem scmatmats

Step	Hyp	Ref	Expression
1		scmate.k	. . 3 ⊢ 𝐾 = (Base‘𝑅)
2		scmatmat.a	. . 3 ⊢ 𝐴 = (𝑁 Mat 𝑅)
3		scmatmat.b	. . 3 ⊢ 𝐵 = (Base‘𝐴)
4		eqid 2825	. . 3 ⊢ (1r‘𝐴) = (1r‘𝐴)
5		eqid 2825	. . 3 ⊢ ( ·𝑠 ‘𝐴) = ( ·𝑠 ‘𝐴)
6		scmatmat.s	. . 3 ⊢ 𝑆 = (𝑁 ScMat 𝑅)
7	1, 2, 3, 4, 5, 6	scmatval 20678	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → 𝑆 = {𝑚 ∈ 𝐵 ∣ ∃𝑐 ∈ 𝐾 𝑚 = (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴))})
8		simpr 479	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) → 𝑚 ∈ 𝐵)
9	8	adantr 474	. . . . . 6 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → 𝑚 ∈ 𝐵)
10		simpll 785	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring))
11	2	matring 20616	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → 𝐴 ∈ Ring)
12	3, 4	ringidcl 18922	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 ∈ Ring → (1r‘𝐴) ∈ 𝐵)
13	11, 12	syl 17	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → (1r‘𝐴) ∈ 𝐵)
14	13	adantr 474	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) → (1r‘𝐴) ∈ 𝐵)
15	14	anim1i 610	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → ((1r‘𝐴) ∈ 𝐵 ∧ 𝑐 ∈ 𝐾))
16	15	ancomd 455	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (𝑐 ∈ 𝐾 ∧ (1r‘𝐴) ∈ 𝐵))
17	1, 2, 3, 5	matvscl 20604	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ (𝑐 ∈ 𝐾 ∧ (1r‘𝐴) ∈ 𝐵)) → (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴)) ∈ 𝐵)
18	10, 16, 17	syl2anc 581	. . . . . 6 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴)) ∈ 𝐵)
19	2, 3	eqmat 20597	. . . . . 6 ⊢ ((𝑚 ∈ 𝐵 ∧ (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴)) ∈ 𝐵) → (𝑚 = (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴)) ↔ ∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = (𝑖(𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴))𝑗)))
20	9, 18, 19	syl2anc 581	. . . . 5 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (𝑚 = (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴)) ↔ ∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = (𝑖(𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴))𝑗)))
21		simplll 793	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → 𝑁 ∈ Fin)
22		simpllr 795	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → 𝑅 ∈ Ring)
23		simpr 479	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → 𝑐 ∈ 𝐾)
24	21, 22, 23	3jca 1164	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑐 ∈ 𝐾))
25		scmate.0	. . . . . . . . 9 ⊢ 0 = (0g‘𝑅)
26	2, 1, 25, 4, 5	scmatscmide 20681	. . . . . . . 8 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) ∧ (𝑖 ∈ 𝑁 ∧ 𝑗 ∈ 𝑁)) → (𝑖(𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴))𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, 0 ))
27	24, 26	sylan 577	. . . . . . 7 ⊢ (((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) ∧ (𝑖 ∈ 𝑁 ∧ 𝑗 ∈ 𝑁)) → (𝑖(𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴))𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, 0 ))
28	27	eqeq2d 2835	. . . . . 6 ⊢ (((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) ∧ (𝑖 ∈ 𝑁 ∧ 𝑗 ∈ 𝑁)) → ((𝑖𝑚𝑗) = (𝑖(𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴))𝑗) ↔ (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, 0 )))
29	28	2ralbidva 3197	. . . . 5 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = (𝑖(𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴))𝑗) ↔ ∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, 0 )))
30	20, 29	bitrd 271	. . . 4 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (𝑚 = (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴)) ↔ ∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, 0 )))
31	30	rexbidva 3259	. . 3 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) → (∃𝑐 ∈ 𝐾 𝑚 = (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴)) ↔ ∃𝑐 ∈ 𝐾 ∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, 0 )))
32	31	rabbidva 3401	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → {𝑚 ∈ 𝐵 ∣ ∃𝑐 ∈ 𝐾 𝑚 = (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴))} = {𝑚 ∈ 𝐵 ∣ ∃𝑐 ∈ 𝐾 ∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, 0 )})
33	7, 32	eqtrd 2861	1 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → 𝑆 = {𝑚 ∈ 𝐵 ∣ ∃𝑐 ∈ 𝐾 ∀𝑖 ∈ 𝑁 ∀𝑗 ∈ 𝑁 (𝑖𝑚𝑗) = if(𝑖 = 𝑗, 𝑐, 0 )})

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 198   ∧ wa 386   ∧ w3a 1113   = wceq 1658   ∈ wcel 2166  ∀wral 3117  ∃wrex 3118  {crab 3121  ifcif 4306  ‘cfv 6123  (class class class)co 6905  Fincfn 8222  Basecbs 16222   ·_𝑠 cvsca 16309  0_gc0g 16453  1_rcur 18855  Ringcrg 18901   Mat cmat 20580   ScMat cscmat 20663

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1896  ax-4 1910  ax-5 2011  ax-6 2077  ax-7 2114  ax-8 2168  ax-9 2175  ax-10 2194  ax-11 2209  ax-12 2222  ax-13 2391  ax-ext 2803  ax-rep 4994  ax-sep 5005  ax-nul 5013  ax-pow 5065  ax-pr 5127  ax-un 7209  ax-inf2 8815  ax-cnex 10308  ax-resscn 10309  ax-1cn 10310  ax-icn 10311  ax-addcl 10312  ax-addrcl 10313  ax-mulcl 10314  ax-mulrcl 10315  ax-mulcom 10316  ax-addass 10317  ax-mulass 10318  ax-distr 10319  ax-i2m1 10320  ax-1ne0 10321  ax-1rid 10322  ax-rnegex 10323  ax-rrecex 10324  ax-cnre 10325  ax-pre-lttri 10326  ax-pre-lttrn 10327  ax-pre-ltadd 10328  ax-pre-mulgt0 10329

This theorem depends on definitions:  df-bi 199  df-an 387  df-or 881  df-3or 1114  df-3an 1115  df-tru 1662  df-ex 1881  df-nf 1885  df-sb 2070  df-mo 2605  df-eu 2640  df-clab 2812  df-cleq 2818  df-clel 2821  df-nfc 2958  df-ne 3000  df-nel 3103  df-ral 3122  df-rex 3123  df-reu 3124  df-rmo 3125  df-rab 3126  df-v 3416  df-sbc 3663  df-csb 3758  df-dif 3801  df-un 3803  df-in 3805  df-ss 3812  df-pss 3814  df-nul 4145  df-if 4307  df-pw 4380  df-sn 4398  df-pr 4400  df-tp 4402  df-op 4404  df-ot 4406  df-uni 4659  df-int 4698  df-iun 4742  df-iin 4743  df-br 4874  df-opab 4936  df-mpt 4953  df-tr 4976  df-id 5250  df-eprel 5255  df-po 5263  df-so 5264  df-fr 5301  df-se 5302  df-we 5303  df-xp 5348  df-rel 5349  df-cnv 5350  df-co 5351  df-dm 5352  df-rn 5353  df-res 5354  df-ima 5355  df-pred 5920  df-ord 5966  df-on 5967  df-lim 5968  df-suc 5969  df-iota 6086  df-fun 6125  df-fn 6126  df-f 6127  df-f1 6128  df-fo 6129  df-f1o 6130  df-fv 6131  df-isom 6132  df-riota 6866  df-ov 6908  df-oprab 6909  df-mpt2 6910  df-of 7157  df-om 7327  df-1st 7428  df-2nd 7429  df-supp 7560  df-wrecs 7672  df-recs 7734  df-rdg 7772  df-1o 7826  df-oadd 7830  df-er 8009  df-map 8124  df-ixp 8176  df-en 8223  df-dom 8224  df-sdom 8225  df-fin 8226  df-fsupp 8545  df-sup 8617  df-oi 8684  df-card 9078  df-pnf 10393  df-mnf 10394  df-xr 10395  df-ltxr 10396  df-le 10397  df-sub 10587  df-neg 10588  df-nn 11351  df-2 11414  df-3 11415  df-4 11416  df-5 11417  df-6 11418  df-7 11419  df-8 11420  df-9 11421  df-n0 11619  df-z 11705  df-dec 11822  df-uz 11969  df-fz 12620  df-fzo 12761  df-seq 13096  df-hash 13411  df-struct 16224  df-ndx 16225  df-slot 16226  df-base 16228  df-sets 16229  df-ress 16230  df-plusg 16318  df-mulr 16319  df-sca 16321  df-vsca 16322  df-ip 16323  df-tset 16324  df-ple 16325  df-ds 16327  df-hom 16329  df-cco 16330  df-0g 16455  df-gsum 16456  df-prds 16461  df-pws 16463  df-mre 16599  df-mrc 16600  df-acs 16602  df-mgm 17595  df-sgrp 17637  df-mnd 17648  df-mhm 17688  df-submnd 17689  df-grp 17779  df-minusg 17780  df-sbg 17781  df-mulg 17895  df-subg 17942  df-ghm 18009  df-cntz 18100  df-cmn 18548  df-abl 18549  df-mgp 18844  df-ur 18856  df-ring 18903  df-subrg 19134  df-lmod 19221  df-lss 19289  df-sra 19533  df-rgmod 19534  df-dsmm 20439  df-frlm 20454  df-mamu 20557  df-mat 20581  df-scmat 20665

This theorem is referenced by:  scmateALT  20686  scmatdmat  20689