HSE Home Hilbert Space Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  HSE Home  >  Th. List  >  strlem1 Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem strlem1 29634
Description: Lemma for strong state theorem: if closed subspace 𝐴 is not contained in 𝐵, there is a unit vector 𝑢 in their difference. (Contributed by NM, 25-Oct-1999.) (New usage is discouraged.)
Hypotheses
Ref Expression
strlem1.1 𝐴C
strlem1.2 𝐵C
Assertion
Ref Expression
strlem1 𝐴𝐵 → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
Distinct variable groups:   𝑢,𝐴   𝑢,𝐵

Proof of Theorem strlem1
Dummy variable 𝑥 is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 neq0 4130 . . 3 (¬ (𝐴𝐵) = ∅ ↔ ∃𝑥 𝑥 ∈ (𝐴𝐵))
2 ssdif0 4142 . . 3 (𝐴𝐵 ↔ (𝐴𝐵) = ∅)
31, 2xchnxbir 325 . 2 𝐴𝐵 ↔ ∃𝑥 𝑥 ∈ (𝐴𝐵))
4 eldifi 3930 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 𝑥𝐴)
5 strlem1.1 . . . . . . . . . . . 12 𝐴C
65cheli 28614 . . . . . . . . . . 11 (𝑥𝐴𝑥 ∈ ℋ)
7 normcl 28507 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ ℋ → (norm𝑥) ∈ ℝ)
84, 6, 73syl 18 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm𝑥) ∈ ℝ)
9 strlem1.2 . . . . . . . . . . . . . . . 16 𝐵C
10 ch0 28610 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝐵C → 0𝐵)
119, 10ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . . 15 0𝐵
12 eldifn 3931 . . . . . . . . . . . . . . 15 (0 ∈ (𝐴𝐵) → ¬ 0𝐵)
1311, 12mt2 192 . . . . . . . . . . . . . 14 ¬ 0 ∈ (𝐴𝐵)
14 eleq1 2866 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑥 = 0 → (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) ↔ 0 ∈ (𝐴𝐵)))
1513, 14mtbiri 319 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 = 0 → ¬ 𝑥 ∈ (𝐴𝐵))
1615con2i 137 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ¬ 𝑥 = 0)
17 norm-i 28511 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 ∈ ℋ → ((norm𝑥) = 0 ↔ 𝑥 = 0))
184, 6, 173syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((norm𝑥) = 0 ↔ 𝑥 = 0))
1916, 18mtbird 317 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ¬ (norm𝑥) = 0)
2019neqned 2978 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm𝑥) ≠ 0)
218, 20rereccld 11144 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (1 / (norm𝑥)) ∈ ℝ)
2221recnd 10357 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ)
235chshii 28609 . . . . . . . . . 10 𝐴S
24 shmulcl 28600 . . . . . . . . . 10 ((𝐴S ∧ (1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥𝐴) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴)
2523, 24mp3an1 1573 . . . . . . . . 9 (((1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥𝐴) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴)
2625ex 402 . . . . . . . 8 ((1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ → (𝑥𝐴 → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴))
2722, 26syl 17 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (𝑥𝐴 → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴))
288recnd 10357 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm𝑥) ∈ ℂ)
299chshii 28609 . . . . . . . . . . . 12 𝐵S
30 shmulcl 28600 . . . . . . . . . . . 12 ((𝐵S ∧ (norm𝑥) ∈ ℂ ∧ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵) → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵)
3129, 30mp3an1 1573 . . . . . . . . . . 11 (((norm𝑥) ∈ ℂ ∧ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵) → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵)
3231ex 402 . . . . . . . . . 10 ((norm𝑥) ∈ ℂ → (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵 → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵))
3328, 32syl 17 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵 → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵))
3428, 20recidd 11088 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) = 1)
3534oveq1d 6893 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) · 𝑥) = (1 · 𝑥))
364, 6syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 𝑥 ∈ ℋ)
37 ax-hvmulass 28389 . . . . . . . . . . . 12 (((norm𝑥) ∈ ℂ ∧ (1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥 ∈ ℋ) → (((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) · 𝑥) = ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)))
3828, 22, 36, 37syl3anc 1491 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) · 𝑥) = ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)))
39 ax-hvmulid 28388 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ ℋ → (1 · 𝑥) = 𝑥)
404, 6, 393syl 18 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (1 · 𝑥) = 𝑥)
4135, 38, 403eqtr3d 2841 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 𝑥)
4241eleq1d 2863 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵𝑥𝐵))
4333, 42sylibd 231 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵𝑥𝐵))
4443con3d 150 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (¬ 𝑥𝐵 → ¬ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵))
4527, 44anim12d 603 . . . . . 6 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((𝑥𝐴 ∧ ¬ 𝑥𝐵) → (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴 ∧ ¬ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵)))
46 eldif 3779 . . . . . 6 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) ↔ (𝑥𝐴 ∧ ¬ 𝑥𝐵))
47 eldif 3779 . . . . . 6 (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵) ↔ (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴 ∧ ¬ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵))
4845, 46, 473imtr4g 288 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵)))
4948pm2.43i 52 . . . 4 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵))
50 norm-iii 28522 . . . . . 6 (((1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥 ∈ ℋ) → (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = ((abs‘(1 / (norm𝑥))) · (norm𝑥)))
5122, 36, 50syl2anc 580 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = ((abs‘(1 / (norm𝑥))) · (norm𝑥)))
5215necon2ai 3000 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 𝑥 ≠ 0)
53 normgt0 28509 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ ℋ → (𝑥 ≠ 0 ↔ 0 < (norm𝑥)))
544, 6, 533syl 18 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (𝑥 ≠ 0 ↔ 0 < (norm𝑥)))
5552, 54mpbid 224 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 0 < (norm𝑥))
56 1re 10328 . . . . . . . . 9 1 ∈ ℝ
57 0le1 10843 . . . . . . . . 9 0 ≤ 1
58 divge0 11184 . . . . . . . . 9 (((1 ∈ ℝ ∧ 0 ≤ 1) ∧ ((norm𝑥) ∈ ℝ ∧ 0 < (norm𝑥))) → 0 ≤ (1 / (norm𝑥)))
5956, 57, 58mpanl12 694 . . . . . . . 8 (((norm𝑥) ∈ ℝ ∧ 0 < (norm𝑥)) → 0 ≤ (1 / (norm𝑥)))
608, 55, 59syl2anc 580 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 0 ≤ (1 / (norm𝑥)))
6121, 60absidd 14502 . . . . . 6 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (abs‘(1 / (norm𝑥))) = (1 / (norm𝑥)))
6261oveq1d 6893 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((abs‘(1 / (norm𝑥))) · (norm𝑥)) = ((1 / (norm𝑥)) · (norm𝑥)))
6328, 20recid2d 11089 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((1 / (norm𝑥)) · (norm𝑥)) = 1)
6451, 62, 633eqtrd 2837 . . . 4 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 1)
65 fveqeq2 6420 . . . . 5 (𝑢 = ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) → ((norm𝑢) = 1 ↔ (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 1))
6665rspcev 3497 . . . 4 ((((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵) ∧ (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 1) → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
6749, 64, 66syl2anc 580 . . 3 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
6867exlimiv 2026 . 2 (∃𝑥 𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
693, 68sylbi 209 1 𝐴𝐵 → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  ¬ wn 3  wi 4  wb 198  wa 385   = wceq 1653  wex 1875  wcel 2157  wne 2971  wrex 3090  cdif 3766  wss 3769  c0 4115   class class class wbr 4843  cfv 6101  (class class class)co 6878  cc 10222  cr 10223  0cc0 10224  1c1 10225   · cmul 10229   < clt 10363  cle 10364   / cdiv 10976  abscabs 14315  chba 28301   · csm 28303  normcno 28305  0c0v 28306   S csh 28310   C cch 28311
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-sep 4975  ax-nul 4983  ax-pow 5035  ax-pr 5097  ax-un 7183  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  ax-pre-sup 10302  ax-hilex 28381  ax-hfvadd 28382  ax-hv0cl 28385  ax-hfvmul 28387  ax-hvmulid 28388  ax-hvmulass 28389  ax-hvmul0 28392  ax-hfi 28461  ax-his1 28464  ax-his3 28466  ax-his4 28467
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-uni 4629  df-iun 4712  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-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-riota 6839  df-ov 6881  df-oprab 6882  df-mpt2 6883  df-om 7300  df-2nd 7402  df-wrecs 7645  df-recs 7707  df-rdg 7745  df-er 7982  df-en 8196  df-dom 8197  df-sdom 8198  df-sup 8590  df-pnf 10365  df-mnf 10366  df-xr 10367  df-ltxr 10368  df-le 10369  df-sub 10558  df-neg 10559  df-div 10977  df-nn 11313  df-2 11376  df-3 11377  df-n0 11581  df-z 11667  df-uz 11931  df-rp 12075  df-seq 13056  df-exp 13115  df-cj 14180  df-re 14181  df-im 14182  df-sqrt 14316  df-abs 14317  df-hnorm 28350  df-sh 28589  df-ch 28603
This theorem is referenced by:  stri  29641  hstri  29649
  Copyright terms: Public domain W3C validator