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

Theorem strlem1 29449
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 4077 . . 3 (¬ (𝐴𝐵) = ∅ ↔ ∃𝑥 𝑥 ∈ (𝐴𝐵))
2 ssdif0 4089 . . 3 (𝐴𝐵 ↔ (𝐴𝐵) = ∅)
31, 2xchnxbir 322 . 2 𝐴𝐵 ↔ ∃𝑥 𝑥 ∈ (𝐴𝐵))
4 eldifi 3883 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 𝑥𝐴)
5 strlem1.1 . . . . . . . . . . . 12 𝐴C
65cheli 28429 . . . . . . . . . . 11 (𝑥𝐴𝑥 ∈ ℋ)
7 normcl 28322 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ ℋ → (norm𝑥) ∈ ℝ)
84, 6, 73syl 18 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm𝑥) ∈ ℝ)
9 strlem1.2 . . . . . . . . . . . . . . . 16 𝐵C
10 ch0 28425 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝐵C → 0𝐵)
119, 10ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . . 15 0𝐵
12 eldifn 3884 . . . . . . . . . . . . . . 15 (0 ∈ (𝐴𝐵) → ¬ 0𝐵)
1311, 12mt2 191 . . . . . . . . . . . . . 14 ¬ 0 ∈ (𝐴𝐵)
14 eleq1 2838 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑥 = 0 → (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) ↔ 0 ∈ (𝐴𝐵)))
1513, 14mtbiri 316 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 = 0 → ¬ 𝑥 ∈ (𝐴𝐵))
1615con2i 136 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ¬ 𝑥 = 0)
17 norm-i 28326 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 ∈ ℋ → ((norm𝑥) = 0 ↔ 𝑥 = 0))
184, 6, 173syl 18 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((norm𝑥) = 0 ↔ 𝑥 = 0))
1916, 18mtbird 314 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ¬ (norm𝑥) = 0)
2019neqned 2950 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm𝑥) ≠ 0)
218, 20rereccld 11054 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (1 / (norm𝑥)) ∈ ℝ)
2221recnd 10270 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ)
235chshii 28424 . . . . . . . . . 10 𝐴S
24 shmulcl 28415 . . . . . . . . . 10 ((𝐴S ∧ (1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥𝐴) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴)
2523, 24mp3an1 1559 . . . . . . . . 9 (((1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥𝐴) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴)
2625ex 397 . . . . . . . 8 ((1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ → (𝑥𝐴 → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴))
2722, 26syl 17 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (𝑥𝐴 → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴))
288recnd 10270 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm𝑥) ∈ ℂ)
299chshii 28424 . . . . . . . . . . . 12 𝐵S
30 shmulcl 28415 . . . . . . . . . . . 12 ((𝐵S ∧ (norm𝑥) ∈ ℂ ∧ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵) → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵)
3129, 30mp3an1 1559 . . . . . . . . . . 11 (((norm𝑥) ∈ ℂ ∧ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵) → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵)
3231ex 397 . . . . . . . . . 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 10998 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) = 1)
3534oveq1d 6808 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) · 𝑥) = (1 · 𝑥))
364, 6syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 𝑥 ∈ ℋ)
37 ax-hvmulass 28204 . . . . . . . . . . . 12 (((norm𝑥) ∈ ℂ ∧ (1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥 ∈ ℋ) → (((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) · 𝑥) = ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)))
3828, 22, 36, 37syl3anc 1476 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) · 𝑥) = ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)))
39 ax-hvmulid 28203 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ ℋ → (1 · 𝑥) = 𝑥)
404, 6, 393syl 18 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (1 · 𝑥) = 𝑥)
4135, 38, 403eqtr3d 2813 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 𝑥)
4241eleq1d 2835 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵𝑥𝐵))
4333, 42sylibd 229 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵𝑥𝐵))
4443con3d 149 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (¬ 𝑥𝐵 → ¬ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵))
4527, 44anim12d 596 . . . . . 6 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((𝑥𝐴 ∧ ¬ 𝑥𝐵) → (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴 ∧ ¬ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵)))
46 eldif 3733 . . . . . 6 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) ↔ (𝑥𝐴 ∧ ¬ 𝑥𝐵))
47 eldif 3733 . . . . . 6 (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵) ↔ (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴 ∧ ¬ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵))
4845, 46, 473imtr4g 285 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵)))
4948pm2.43i 52 . . . 4 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵))
50 norm-iii 28337 . . . . . 6 (((1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥 ∈ ℋ) → (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = ((abs‘(1 / (norm𝑥))) · (norm𝑥)))
5122, 36, 50syl2anc 573 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = ((abs‘(1 / (norm𝑥))) · (norm𝑥)))
5215necon2ai 2972 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 𝑥 ≠ 0)
53 normgt0 28324 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ ℋ → (𝑥 ≠ 0 ↔ 0 < (norm𝑥)))
544, 6, 533syl 18 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (𝑥 ≠ 0 ↔ 0 < (norm𝑥)))
5552, 54mpbid 222 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 0 < (norm𝑥))
56 1re 10241 . . . . . . . . 9 1 ∈ ℝ
57 0le1 10753 . . . . . . . . 9 0 ≤ 1
58 divge0 11094 . . . . . . . . 9 (((1 ∈ ℝ ∧ 0 ≤ 1) ∧ ((norm𝑥) ∈ ℝ ∧ 0 < (norm𝑥))) → 0 ≤ (1 / (norm𝑥)))
5956, 57, 58mpanl12 682 . . . . . . . 8 (((norm𝑥) ∈ ℝ ∧ 0 < (norm𝑥)) → 0 ≤ (1 / (norm𝑥)))
608, 55, 59syl2anc 573 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 0 ≤ (1 / (norm𝑥)))
6121, 60absidd 14369 . . . . . 6 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (abs‘(1 / (norm𝑥))) = (1 / (norm𝑥)))
6261oveq1d 6808 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((abs‘(1 / (norm𝑥))) · (norm𝑥)) = ((1 / (norm𝑥)) · (norm𝑥)))
6328, 20recid2d 10999 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((1 / (norm𝑥)) · (norm𝑥)) = 1)
6451, 62, 633eqtrd 2809 . . . 4 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 1)
65 fveq2 6332 . . . . . 6 (𝑢 = ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) → (norm𝑢) = (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)))
6665eqeq1d 2773 . . . . 5 (𝑢 = ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) → ((norm𝑢) = 1 ↔ (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 1))
6766rspcev 3460 . . . 4 ((((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵) ∧ (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 1) → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
6849, 64, 67syl2anc 573 . . 3 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
6968exlimiv 2010 . 2 (∃𝑥 𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
703, 69sylbi 207 1 𝐴𝐵 → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  ¬ wn 3  wi 4  wb 196  wa 382   = wceq 1631  wex 1852  wcel 2145  wne 2943  wrex 3062  cdif 3720  wss 3723  c0 4063   class class class wbr 4786  cfv 6031  (class class class)co 6793  cc 10136  cr 10137  0cc0 10138  1c1 10139   · cmul 10143   < clt 10276  cle 10277   / cdiv 10886  abscabs 14182  chil 28116   · csm 28118  normcno 28120  0c0v 28121   S csh 28125   C cch 28126
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1870  ax-4 1885  ax-5 1991  ax-6 2057  ax-7 2093  ax-8 2147  ax-9 2154  ax-10 2174  ax-11 2190  ax-12 2203  ax-13 2408  ax-ext 2751  ax-sep 4915  ax-nul 4923  ax-pow 4974  ax-pr 5034  ax-un 7096  ax-cnex 10194  ax-resscn 10195  ax-1cn 10196  ax-icn 10197  ax-addcl 10198  ax-addrcl 10199  ax-mulcl 10200  ax-mulrcl 10201  ax-mulcom 10202  ax-addass 10203  ax-mulass 10204  ax-distr 10205  ax-i2m1 10206  ax-1ne0 10207  ax-1rid 10208  ax-rnegex 10209  ax-rrecex 10210  ax-cnre 10211  ax-pre-lttri 10212  ax-pre-lttrn 10213  ax-pre-ltadd 10214  ax-pre-mulgt0 10215  ax-pre-sup 10216  ax-hilex 28196  ax-hfvadd 28197  ax-hv0cl 28200  ax-hfvmul 28202  ax-hvmulid 28203  ax-hvmulass 28204  ax-hvmul0 28207  ax-hfi 28276  ax-his1 28279  ax-his3 28281  ax-his4 28282
This theorem depends on definitions:  df-bi 197  df-an 383  df-or 835  df-3or 1072  df-3an 1073  df-tru 1634  df-ex 1853  df-nf 1858  df-sb 2050  df-eu 2622  df-mo 2623  df-clab 2758  df-cleq 2764  df-clel 2767  df-nfc 2902  df-ne 2944  df-nel 3047  df-ral 3066  df-rex 3067  df-reu 3068  df-rmo 3069  df-rab 3070  df-v 3353  df-sbc 3588  df-csb 3683  df-dif 3726  df-un 3728  df-in 3730  df-ss 3737  df-pss 3739  df-nul 4064  df-if 4226  df-pw 4299  df-sn 4317  df-pr 4319  df-tp 4321  df-op 4323  df-uni 4575  df-iun 4656  df-br 4787  df-opab 4847  df-mpt 4864  df-tr 4887  df-id 5157  df-eprel 5162  df-po 5170  df-so 5171  df-fr 5208  df-we 5210  df-xp 5255  df-rel 5256  df-cnv 5257  df-co 5258  df-dm 5259  df-rn 5260  df-res 5261  df-ima 5262  df-pred 5823  df-ord 5869  df-on 5870  df-lim 5871  df-suc 5872  df-iota 5994  df-fun 6033  df-fn 6034  df-f 6035  df-f1 6036  df-fo 6037  df-f1o 6038  df-fv 6039  df-riota 6754  df-ov 6796  df-oprab 6797  df-mpt2 6798  df-om 7213  df-2nd 7316  df-wrecs 7559  df-recs 7621  df-rdg 7659  df-er 7896  df-en 8110  df-dom 8111  df-sdom 8112  df-sup 8504  df-pnf 10278  df-mnf 10279  df-xr 10280  df-ltxr 10281  df-le 10282  df-sub 10470  df-neg 10471  df-div 10887  df-nn 11223  df-2 11281  df-3 11282  df-n0 11495  df-z 11580  df-uz 11889  df-rp 12036  df-seq 13009  df-exp 13068  df-cj 14047  df-re 14048  df-im 14049  df-sqrt 14183  df-abs 14184  df-hnorm 28165  df-sh 28404  df-ch 28418
This theorem is referenced by:  stri  29456  hstri  29464
  Copyright terms: Public domain W3C validator