HSE Home Hilbert Space Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  HSE Home  >  Th. List  >  strlem3a Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem strlem3a 31543
Description: Lemma for strong state theorem: the function 𝑆, that maps a closed subspace to the square of the norm of its projection onto a unit vector, is a state. (Contributed by NM, 28-Oct-1999.) (New usage is discouraged.)
Hypothesis
Ref Expression
strlem3a.1 𝑆 = (𝑥C ↦ ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2))
Assertion
Ref Expression
strlem3a ((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) → 𝑆 ∈ States)
Distinct variable group:   𝑥,𝑢
Allowed substitution hints:   𝑆(𝑥,𝑢)

Proof of Theorem strlem3a
Dummy variables 𝑧 𝑤 are mutually distinct and distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 id 22 . . . . . . 7 (𝑥C𝑥C )
2 simpl 483 . . . . . . 7 ((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) → 𝑢 ∈ ℋ)
3 pjhcl 30692 . . . . . . 7 ((𝑥C𝑢 ∈ ℋ) → ((proj𝑥)‘𝑢) ∈ ℋ)
41, 2, 3syl2anr 597 . . . . . 6 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → ((proj𝑥)‘𝑢) ∈ ℋ)
5 normcl 30416 . . . . . 6 (((proj𝑥)‘𝑢) ∈ ℋ → (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ∈ ℝ)
64, 5syl 17 . . . . 5 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ∈ ℝ)
76resqcld 14092 . . . 4 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2) ∈ ℝ)
86sqge0d 14104 . . . 4 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → 0 ≤ ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2))
9 normge0 30417 . . . . . 6 (((proj𝑥)‘𝑢) ∈ ℋ → 0 ≤ (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)))
104, 9syl 17 . . . . 5 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → 0 ≤ (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)))
11 pjnorm 31015 . . . . . . 7 ((𝑥C𝑢 ∈ ℋ) → (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ≤ (norm𝑢))
121, 2, 11syl2anr 597 . . . . . 6 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ≤ (norm𝑢))
13 simplr 767 . . . . . 6 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → (norm𝑢) = 1)
1412, 13breqtrd 5174 . . . . 5 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ≤ 1)
15 2nn0 12491 . . . . . 6 2 ∈ ℕ0
16 exple1 14143 . . . . . 6 ((((norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ∧ (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ≤ 1) ∧ 2 ∈ ℕ0) → ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2) ≤ 1)
1715, 16mpan2 689 . . . . 5 (((norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ∧ (norm‘((proj𝑥)‘𝑢)) ≤ 1) → ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2) ≤ 1)
186, 10, 14, 17syl3anc 1371 . . . 4 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2) ≤ 1)
19 elicc01 13445 . . . 4 (((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2) ∈ (0[,]1) ↔ (((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2) ∈ ℝ ∧ 0 ≤ ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2) ∧ ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2) ≤ 1))
207, 8, 18, 19syl3anbrc 1343 . . 3 (((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) ∧ 𝑥C ) → ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2) ∈ (0[,]1))
21 strlem3a.1 . . 3 𝑆 = (𝑥C ↦ ((norm‘((proj𝑥)‘𝑢))↑2))
2220, 21fmptd 7115 . 2 ((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) → 𝑆: C ⟶(0[,]1))
23 helch 30534 . . . 4 ℋ ∈ C
2421strlem2 31542 . . . 4 ( ℋ ∈ C → (𝑆‘ ℋ) = ((norm‘((proj‘ ℋ)‘𝑢))↑2))
2523, 24ax-mp 5 . . 3 (𝑆‘ ℋ) = ((norm‘((proj‘ ℋ)‘𝑢))↑2)
26 pjch1 30961 . . . . . 6 (𝑢 ∈ ℋ → ((proj‘ ℋ)‘𝑢) = 𝑢)
2726fveq2d 6895 . . . . 5 (𝑢 ∈ ℋ → (norm‘((proj‘ ℋ)‘𝑢)) = (norm𝑢))
2827oveq1d 7426 . . . 4 (𝑢 ∈ ℋ → ((norm‘((proj‘ ℋ)‘𝑢))↑2) = ((norm𝑢)↑2))
29 oveq1 7418 . . . . 5 ((norm𝑢) = 1 → ((norm𝑢)↑2) = (1↑2))
30 sq1 14161 . . . . 5 (1↑2) = 1
3129, 30eqtrdi 2788 . . . 4 ((norm𝑢) = 1 → ((norm𝑢)↑2) = 1)
3228, 31sylan9eq 2792 . . 3 ((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) → ((norm‘((proj‘ ℋ)‘𝑢))↑2) = 1)
3325, 32eqtrid 2784 . 2 ((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) → (𝑆‘ ℋ) = 1)
34 pjcjt2 30983 . . . . . . . . . . . 12 ((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) → (𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤) → ((proj‘(𝑧 𝑤))‘𝑢) = (((proj𝑧)‘𝑢) + ((proj𝑤)‘𝑢))))
3534imp 407 . . . . . . . . . . 11 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → ((proj‘(𝑧 𝑤))‘𝑢) = (((proj𝑧)‘𝑢) + ((proj𝑤)‘𝑢)))
3635fveq2d 6895 . . . . . . . . . 10 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → (norm‘((proj‘(𝑧 𝑤))‘𝑢)) = (norm‘(((proj𝑧)‘𝑢) + ((proj𝑤)‘𝑢))))
3736oveq1d 7426 . . . . . . . . 9 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → ((norm‘((proj‘(𝑧 𝑤))‘𝑢))↑2) = ((norm‘(((proj𝑧)‘𝑢) + ((proj𝑤)‘𝑢)))↑2))
38 pjopyth 31011 . . . . . . . . . 10 ((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) → (𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤) → ((norm‘(((proj𝑧)‘𝑢) + ((proj𝑤)‘𝑢)))↑2) = (((norm‘((proj𝑧)‘𝑢))↑2) + ((norm‘((proj𝑤)‘𝑢))↑2))))
3938imp 407 . . . . . . . . 9 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → ((norm‘(((proj𝑧)‘𝑢) + ((proj𝑤)‘𝑢)))↑2) = (((norm‘((proj𝑧)‘𝑢))↑2) + ((norm‘((proj𝑤)‘𝑢))↑2)))
4037, 39eqtrd 2772 . . . . . . . 8 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → ((norm‘((proj‘(𝑧 𝑤))‘𝑢))↑2) = (((norm‘((proj𝑧)‘𝑢))↑2) + ((norm‘((proj𝑤)‘𝑢))↑2)))
41 chjcl 30648 . . . . . . . . . . 11 ((𝑧C𝑤C ) → (𝑧 𝑤) ∈ C )
42413adant3 1132 . . . . . . . . . 10 ((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) → (𝑧 𝑤) ∈ C )
4342adantr 481 . . . . . . . . 9 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → (𝑧 𝑤) ∈ C )
4421strlem2 31542 . . . . . . . . 9 ((𝑧 𝑤) ∈ C → (𝑆‘(𝑧 𝑤)) = ((norm‘((proj‘(𝑧 𝑤))‘𝑢))↑2))
4543, 44syl 17 . . . . . . . 8 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → (𝑆‘(𝑧 𝑤)) = ((norm‘((proj‘(𝑧 𝑤))‘𝑢))↑2))
46 3simpa 1148 . . . . . . . . . 10 ((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) → (𝑧C𝑤C ))
4746adantr 481 . . . . . . . . 9 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → (𝑧C𝑤C ))
4821strlem2 31542 . . . . . . . . . 10 (𝑧C → (𝑆𝑧) = ((norm‘((proj𝑧)‘𝑢))↑2))
4921strlem2 31542 . . . . . . . . . 10 (𝑤C → (𝑆𝑤) = ((norm‘((proj𝑤)‘𝑢))↑2))
5048, 49oveqan12d 7430 . . . . . . . . 9 ((𝑧C𝑤C ) → ((𝑆𝑧) + (𝑆𝑤)) = (((norm‘((proj𝑧)‘𝑢))↑2) + ((norm‘((proj𝑤)‘𝑢))↑2)))
5147, 50syl 17 . . . . . . . 8 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → ((𝑆𝑧) + (𝑆𝑤)) = (((norm‘((proj𝑧)‘𝑢))↑2) + ((norm‘((proj𝑤)‘𝑢))↑2)))
5240, 45, 513eqtr4d 2782 . . . . . . 7 (((𝑧C𝑤C𝑢 ∈ ℋ) ∧ 𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤)) → (𝑆‘(𝑧 𝑤)) = ((𝑆𝑧) + (𝑆𝑤)))
53523exp1 1352 . . . . . 6 (𝑧C → (𝑤C → (𝑢 ∈ ℋ → (𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤) → (𝑆‘(𝑧 𝑤)) = ((𝑆𝑧) + (𝑆𝑤))))))
5453com3r 87 . . . . 5 (𝑢 ∈ ℋ → (𝑧C → (𝑤C → (𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤) → (𝑆‘(𝑧 𝑤)) = ((𝑆𝑧) + (𝑆𝑤))))))
5554adantr 481 . . . 4 ((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) → (𝑧C → (𝑤C → (𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤) → (𝑆‘(𝑧 𝑤)) = ((𝑆𝑧) + (𝑆𝑤))))))
5655ralrimdv 3152 . . 3 ((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) → (𝑧C → ∀𝑤C (𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤) → (𝑆‘(𝑧 𝑤)) = ((𝑆𝑧) + (𝑆𝑤)))))
5756ralrimiv 3145 . 2 ((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) → ∀𝑧C𝑤C (𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤) → (𝑆‘(𝑧 𝑤)) = ((𝑆𝑧) + (𝑆𝑤))))
58 isst 31504 . 2 (𝑆 ∈ States ↔ (𝑆: C ⟶(0[,]1) ∧ (𝑆‘ ℋ) = 1 ∧ ∀𝑧C𝑤C (𝑧 ⊆ (⊥‘𝑤) → (𝑆‘(𝑧 𝑤)) = ((𝑆𝑧) + (𝑆𝑤)))))
5922, 33, 57, 58syl3anbrc 1343 1 ((𝑢 ∈ ℋ ∧ (norm𝑢) = 1) → 𝑆 ∈ States)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wa 396  w3a 1087   = wceq 1541  wcel 2106  wral 3061  wss 3948   class class class wbr 5148  cmpt 5231  wf 6539  cfv 6543  (class class class)co 7411  cr 11111  0cc0 11112  1c1 11113   + caddc 11115  cle 11251  2c2 12269  0cn0 12474  [,]cicc 13329  cexp 14029  chba 30210   + cva 30211  normcno 30214   C cch 30220  cort 30221   chj 30224  projcpjh 30228  Statescst 30253
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2703  ax-rep 5285  ax-sep 5299  ax-nul 5306  ax-pow 5363  ax-pr 5427  ax-un 7727  ax-inf2 9638  ax-cc 10432  ax-cnex 11168  ax-resscn 11169  ax-1cn 11170  ax-icn 11171  ax-addcl 11172  ax-addrcl 11173  ax-mulcl 11174  ax-mulrcl 11175  ax-mulcom 11176  ax-addass 11177  ax-mulass 11178  ax-distr 11179  ax-i2m1 11180  ax-1ne0 11181  ax-1rid 11182  ax-rnegex 11183  ax-rrecex 11184  ax-cnre 11185  ax-pre-lttri 11186  ax-pre-lttrn 11187  ax-pre-ltadd 11188  ax-pre-mulgt0 11189  ax-pre-sup 11190  ax-addf 11191  ax-mulf 11192  ax-hilex 30290  ax-hfvadd 30291  ax-hvcom 30292  ax-hvass 30293  ax-hv0cl 30294  ax-hvaddid 30295  ax-hfvmul 30296  ax-hvmulid 30297  ax-hvmulass 30298  ax-hvdistr1 30299  ax-hvdistr2 30300  ax-hvmul0 30301  ax-hfi 30370  ax-his1 30373  ax-his2 30374  ax-his3 30375  ax-his4 30376  ax-hcompl 30493
This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2068  df-mo 2534  df-eu 2563  df-clab 2710  df-cleq 2724  df-clel 2810  df-nfc 2885  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3062  df-rex 3071  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3433  df-v 3476  df-sbc 3778  df-csb 3894  df-dif 3951  df-un 3953  df-in 3955  df-ss 3965  df-pss 3967  df-nul 4323  df-if 4529  df-pw 4604  df-sn 4629  df-pr 4631  df-tp 4633  df-op 4635  df-uni 4909  df-int 4951  df-iun 4999  df-iin 5000  df-br 5149  df-opab 5211  df-mpt 5232  df-tr 5266  df-id 5574  df-eprel 5580  df-po 5588  df-so 5589  df-fr 5631  df-se 5632  df-we 5633  df-xp 5682  df-rel 5683  df-cnv 5684  df-co 5685  df-dm 5686  df-rn 5687  df-res 5688  df-ima 5689  df-pred 6300  df-ord 6367  df-on 6368  df-lim 6369  df-suc 6370  df-iota 6495  df-fun 6545  df-fn 6546  df-f 6547  df-f1 6548  df-fo 6549  df-f1o 6550  df-fv 6551  df-isom 6552  df-riota 7367  df-ov 7414  df-oprab 7415  df-mpo 7416  df-of 7672  df-om 7858  df-1st 7977  df-2nd 7978  df-supp 8149  df-frecs 8268  df-wrecs 8299  df-recs 8373  df-rdg 8412  df-1o 8468  df-2o 8469  df-oadd 8472  df-omul 8473  df-er 8705  df-map 8824  df-pm 8825  df-ixp 8894  df-en 8942  df-dom 8943  df-sdom 8944  df-fin 8945  df-fsupp 9364  df-fi 9408  df-sup 9439  df-inf 9440  df-oi 9507  df-card 9936  df-acn 9939  df-pnf 11252  df-mnf 11253  df-xr 11254  df-ltxr 11255  df-le 11256  df-sub 11448  df-neg 11449  df-div 11874  df-nn 12215  df-2 12277  df-3 12278  df-4 12279  df-5 12280  df-6 12281  df-7 12282  df-8 12283  df-9 12284  df-n0 12475  df-z 12561  df-dec 12680  df-uz 12825  df-q 12935  df-rp 12977  df-xneg 13094  df-xadd 13095  df-xmul 13096  df-ioo 13330  df-ico 13332  df-icc 13333  df-fz 13487  df-fzo 13630  df-fl 13759  df-seq 13969  df-exp 14030  df-hash 14293  df-cj 15048  df-re 15049  df-im 15050  df-sqrt 15184  df-abs 15185  df-clim 15434  df-rlim 15435  df-sum 15635  df-struct 17082  df-sets 17099  df-slot 17117  df-ndx 17129  df-base 17147  df-ress 17176  df-plusg 17212  df-mulr 17213  df-starv 17214  df-sca 17215  df-vsca 17216  df-ip 17217  df-tset 17218  df-ple 17219  df-ds 17221  df-unif 17222  df-hom 17223  df-cco 17224  df-rest 17370  df-topn 17371  df-0g 17389  df-gsum 17390  df-topgen 17391  df-pt 17392  df-prds 17395  df-xrs 17450  df-qtop 17455  df-imas 17456  df-xps 17458  df-mre 17532  df-mrc 17533  df-acs 17535  df-mgm 18563  df-sgrp 18612  df-mnd 18628  df-submnd 18674  df-mulg 18953  df-cntz 19183  df-cmn 19652  df-psmet 20942  df-xmet 20943  df-met 20944  df-bl 20945  df-mopn 20946  df-fbas 20947  df-fg 20948  df-cnfld 20951  df-top 22403  df-topon 22420  df-topsp 22442  df-bases 22456  df-cld 22530  df-ntr 22531  df-cls 22532  df-nei 22609  df-cn 22738  df-cnp 22739  df-lm 22740  df-haus 22826  df-tx 23073  df-hmeo 23266  df-fil 23357  df-fm 23449  df-flim 23450  df-flf 23451  df-xms 23833  df-ms 23834  df-tms 23835  df-cfil 24779  df-cau 24780  df-cmet 24781  df-grpo 29784  df-gid 29785  df-ginv 29786  df-gdiv 29787  df-ablo 29836  df-vc 29850  df-nv 29883  df-va 29886  df-ba 29887  df-sm 29888  df-0v 29889  df-vs 29890  df-nmcv 29891  df-ims 29892  df-dip 29992  df-ssp 30013  df-ph 30104  df-cbn 30154  df-hnorm 30259  df-hba 30260  df-hvsub 30262  df-hlim 30263  df-hcau 30264  df-sh 30498  df-ch 30512  df-oc 30543  df-ch0 30544  df-shs 30599  df-chj 30601  df-pjh 30686  df-st 31502
This theorem is referenced by:  strlem3  31544
  Copyright terms: Public domain W3C validator