Theorem scmatmats 20643

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 2799	. . 3 ⊢ (1r‘𝐴) = (1r‘𝐴)
5		eqid 2799	. . 3 ⊢ ( ·𝑠 ‘𝐴) = ( ·𝑠 ‘𝐴)
6		scmatmat.s	. . 3 ⊢ 𝑆 = (𝑁 ScMat 𝑅)
7	1, 2, 3, 4, 5, 6	scmatval 20636	. 2 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → 𝑆 = {𝑚 ∈ 𝐵 ∣ ∃𝑐 ∈ 𝐾 𝑚 = (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴))})
8		simpr 478	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) → 𝑚 ∈ 𝐵)
9	8	adantr 473	. . . . . 6 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → 𝑚 ∈ 𝐵)
10		simpll 784	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring))
11	2	matring 20574	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → 𝐴 ∈ Ring)
12	3, 4	ringidcl 18884	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝐴 ∈ Ring → (1r‘𝐴) ∈ 𝐵)
13	11, 12	syl 17	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) → (1r‘𝐴) ∈ 𝐵)
14	13	adantr 473	. . . . . . . . 9 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) → (1r‘𝐴) ∈ 𝐵)
15	14	anim1i 609	. . . . . . . 8 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → ((1r‘𝐴) ∈ 𝐵 ∧ 𝑐 ∈ 𝐾))
16	15	ancomd 454	. . . . . . 7 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (𝑐 ∈ 𝐾 ∧ (1r‘𝐴) ∈ 𝐵))
17	1, 2, 3, 5	matvscl 20562	. . . . . . 7 ⊢ (((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ (𝑐 ∈ 𝐾 ∧ (1r‘𝐴) ∈ 𝐵)) → (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴)) ∈ 𝐵)
18	10, 16, 17	syl2anc 580	. . . . . 6 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → (𝑐( ·𝑠 ‘𝐴)(1r‘𝐴)) ∈ 𝐵)
19	2, 3	eqmat 20555	. . . . . 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 580	. . . . 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 792	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → 𝑁 ∈ Fin)
22		simpllr 794	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → 𝑅 ∈ Ring)
23		simpr 478	. . . . . . . . 9 ⊢ ((((𝑁 ∈ Fin ∧ 𝑅 ∈ Ring) ∧ 𝑚 ∈ 𝐵) ∧ 𝑐 ∈ 𝐾) → 𝑐 ∈ 𝐾)
24	21, 22, 23	3jca 1159	. . . . . . . 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 20639	. . . . . . . 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 576	. . . . . . 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 2809	. . . . . 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 3169	. . . . 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 3230	. . 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 3372	. 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 2833	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 385   ∧ w3a 1108   = wceq 1653   ∈ wcel 2157  ∀wral 3089  ∃wrex 3090  {crab 3093  ifcif 4277  ‘cfv 6101  (class class class)co 6878  Fincfn 8195  Basecbs 16184   ·_𝑠 cvsca 16271  0_gc0g 16415  1_rcur 18817  Ringcrg 18863   Mat cmat 20538   ScMat cscmat 20621

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1891  ax-4 1905  ax-5 2006  ax-6 2072  ax-7 2107  ax-8 2159  ax-9 2166  ax-10 2185  ax-11 2200  ax-12 2213  ax-13 2377  ax-ext 2777  ax-rep 4964  ax-sep 4975  ax-nul 4983  ax-pow 5035  ax-pr 5097  ax-un 7183  ax-inf2 8788  ax-cnex 10280  ax-resscn 10281  ax-1cn 10282  ax-icn 10283  ax-addcl 10284  ax-addrcl 10285  ax-mulcl 10286  ax-mulrcl 10287  ax-mulcom 10288  ax-addass 10289  ax-mulass 10290  ax-distr 10291  ax-i2m1 10292  ax-1ne0 10293  ax-1rid 10294  ax-rnegex 10295  ax-rrecex 10296  ax-cnre 10297  ax-pre-lttri 10298  ax-pre-lttrn 10299  ax-pre-ltadd 10300  ax-pre-mulgt0 10301

This theorem depends on definitions:  df-bi 199  df-an 386  df-or 875  df-3or 1109  df-3an 1110  df-tru 1657  df-ex 1876  df-nf 1880  df-sb 2065  df-mo 2591  df-eu 2609  df-clab 2786  df-cleq 2792  df-clel 2795  df-nfc 2930  df-ne 2972  df-nel 3075  df-ral 3094  df-rex 3095  df-reu 3096  df-rmo 3097  df-rab 3098  df-v 3387  df-sbc 3634  df-csb 3729  df-dif 3772  df-un 3774  df-in 3776  df-ss 3783  df-pss 3785  df-nul 4116  df-if 4278  df-pw 4351  df-sn 4369  df-pr 4371  df-tp 4373  df-op 4375  df-ot 4377  df-uni 4629  df-int 4668  df-iun 4712  df-iin 4713  df-br 4844  df-opab 4906  df-mpt 4923  df-tr 4946  df-id 5220  df-eprel 5225  df-po 5233  df-so 5234  df-fr 5271  df-se 5272  df-we 5273  df-xp 5318  df-rel 5319  df-cnv 5320  df-co 5321  df-dm 5322  df-rn 5323  df-res 5324  df-ima 5325  df-pred 5898  df-ord 5944  df-on 5945  df-lim 5946  df-suc 5947  df-iota 6064  df-fun 6103  df-fn 6104  df-f 6105  df-f1 6106  df-fo 6107  df-f1o 6108  df-fv 6109  df-isom 6110  df-riota 6839  df-ov 6881  df-oprab 6882  df-mpt2 6883  df-of 7131  df-om 7300  df-1st 7401  df-2nd 7402  df-supp 7533  df-wrecs 7645  df-recs 7707  df-rdg 7745  df-1o 7799  df-oadd 7803  df-er 7982  df-map 8097  df-ixp 8149  df-en 8196  df-dom 8197  df-sdom 8198  df-fin 8199  df-fsupp 8518  df-sup 8590  df-oi 8657  df-card 9051  df-pnf 10365  df-mnf 10366  df-xr 10367  df-ltxr 10368  df-le 10369  df-sub 10558  df-neg 10559  df-nn 11313  df-2 11376  df-3 11377  df-4 11378  df-5 11379  df-6 11380  df-7 11381  df-8 11382  df-9 11383  df-n0 11581  df-z 11667  df-dec 11784  df-uz 11931  df-fz 12581  df-fzo 12721  df-seq 13056  df-hash 13371  df-struct 16186  df-ndx 16187  df-slot 16188  df-base 16190  df-sets 16191  df-ress 16192  df-plusg 16280  df-mulr 16281  df-sca 16283  df-vsca 16284  df-ip 16285  df-tset 16286  df-ple 16287  df-ds 16289  df-hom 16291  df-cco 16292  df-0g 16417  df-gsum 16418  df-prds 16423  df-pws 16425  df-mre 16561  df-mrc 16562  df-acs 16564  df-mgm 17557  df-sgrp 17599  df-mnd 17610  df-mhm 17650  df-submnd 17651  df-grp 17741  df-minusg 17742  df-sbg 17743  df-mulg 17857  df-subg 17904  df-ghm 17971  df-cntz 18062  df-cmn 18510  df-abl 18511  df-mgp 18806  df-ur 18818  df-ring 18865  df-subrg 19096  df-lmod 19183  df-lss 19251  df-sra 19495  df-rgmod 19496  df-dsmm 20401  df-frlm 20416  df-mamu 20515  df-mat 20539  df-scmat 20623

This theorem is referenced by:  scmateALT  20644  scmatdmat  20647