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Theorem elunop2 23469
Description: An operator is unitary iff it is linear, onto, and idempotent in the norm. Similar to theorem in [AkhiezerGlazman] p. 73, and its converse. (Contributed by NM, 24-Feb-2006.) (New usage is discouraged.)
Assertion
Ref Expression
elunop2  |-  ( T  e.  UniOp 
<->  ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\ 
A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )
) )
Distinct variable group:    x, T

Proof of Theorem elunop2
Dummy variable  y is distinct from all other variables.
StepHypRef Expression
1 unoplin 23376 . . 3  |-  ( T  e.  UniOp  ->  T  e.  LinOp
)
2 elunop 23328 . . . 4  |-  ( T  e.  UniOp 
<->  ( T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  A. y  e.  ~H  ( ( T `  x )  .ih  ( T `  y )
)  =  ( x 
.ih  y ) ) )
32simplbi 447 . . 3  |-  ( T  e.  UniOp  ->  T : ~H -onto-> ~H )
4 unopnorm 23373 . . . 4  |-  ( ( T  e.  UniOp  /\  x  e.  ~H )  ->  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )
)
54ralrimiva 2749 . . 3  |-  ( T  e.  UniOp  ->  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) )
61, 3, 53jca 1134 . 2  |-  ( T  e.  UniOp  ->  ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) )
7 eleq1 2464 . . 3  |-  ( T  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( T  e.  UniOp  <->  if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  e. 
UniOp ) )
8 eleq1 2464 . . . . . . 7  |-  ( T  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( T  e.  LinOp  <->  if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  e. 
LinOp ) )
9 foeq1 5608 . . . . . . 7  |-  ( T  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( T : ~H -onto-> ~H 
<->  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) : ~H -onto-> ~H ) )
10 fveq2 5687 . . . . . . . . . . 11  |-  ( x  =  y  ->  ( T `  x )  =  ( T `  y ) )
1110fveq2d 5691 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  =  y  ->  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  ( T `  y ) ) )
12 fveq2 5687 . . . . . . . . . 10  |-  ( x  =  y  ->  ( normh `  x )  =  ( normh `  y )
)
1311, 12eqeq12d 2418 . . . . . . . . 9  |-  ( x  =  y  ->  (
( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )  <->  (
normh `  ( T `  y ) )  =  ( normh `  y )
) )
1413cbvralv 2892 . . . . . . . 8  |-  ( A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )  <->  A. y  e.  ~H  ( normh `  ( T `  y ) )  =  ( normh `  y )
)
15 fveq1 5686 . . . . . . . . . . 11  |-  ( T  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( T `  y
)  =  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) )
1615fveq2d 5691 . . . . . . . . . 10  |-  ( T  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( normh `  ( T `  y ) )  =  ( normh `  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) ) )
1716eqeq1d 2412 . . . . . . . . 9  |-  ( T  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( ( normh `  ( T `  y )
)  =  ( normh `  y )  <->  ( normh `  ( if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
) )
1817ralbidv 2686 . . . . . . . 8  |-  ( T  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( A. y  e. 
~H  ( normh `  ( T `  y )
)  =  ( normh `  y )  <->  A. y  e.  ~H  ( normh `  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
) )
1914, 18syl5bb 249 . . . . . . 7  |-  ( T  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x )  <->  A. y  e.  ~H  ( normh `  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
) )
208, 9, 193anbi123d 1254 . . . . . 6  |-  ( T  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) )  <->  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  e. 
LinOp  /\  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) : ~H -onto-> ~H  /\  A. y  e.  ~H  ( normh `  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
) ) )
21 eleq1 2464 . . . . . . 7  |-  ( (  _I  |`  ~H )  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( (  _I  |`  ~H )  e.  LinOp 
<->  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  e. 
LinOp ) )
22 foeq1 5608 . . . . . . 7  |-  ( (  _I  |`  ~H )  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( (  _I  |`  ~H ) : ~H -onto-> ~H  <->  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) : ~H -onto-> ~H ) )
23 fveq1 5686 . . . . . . . . . 10  |-  ( (  _I  |`  ~H )  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( (  _I  |`  ~H ) `  y )  =  ( if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) )
2423fveq2d 5691 . . . . . . . . 9  |-  ( (  _I  |`  ~H )  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( normh `  ( (  _I  |`  ~H ) `  y ) )  =  ( normh `  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) ) )
2524eqeq1d 2412 . . . . . . . 8  |-  ( (  _I  |`  ~H )  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( ( normh `  (
(  _I  |`  ~H ) `  y ) )  =  ( normh `  y )  <->  (
normh `  ( if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\ 
A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )
) ,  T , 
(  _I  |`  ~H )
) `  y )
)  =  ( normh `  y ) ) )
2625ralbidv 2686 . . . . . . 7  |-  ( (  _I  |`  ~H )  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( A. y  e. 
~H  ( normh `  (
(  _I  |`  ~H ) `  y ) )  =  ( normh `  y )  <->  A. y  e.  ~H  ( normh `  ( if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\ 
A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )
) ,  T , 
(  _I  |`  ~H )
) `  y )
)  =  ( normh `  y ) ) )
2721, 22, 263anbi123d 1254 . . . . . 6  |-  ( (  _I  |`  ~H )  =  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  -> 
( ( (  _I  |`  ~H )  e.  LinOp  /\  (  _I  |`  ~H ) : ~H -onto-> ~H  /\  A. y  e.  ~H  ( normh `  (
(  _I  |`  ~H ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
)  <->  ( if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\ 
A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )
) ,  T , 
(  _I  |`  ~H )
)  e.  LinOp  /\  if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) : ~H -onto-> ~H  /\  A. y  e.  ~H  ( normh `  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
) ) )
28 idlnop 23448 . . . . . . 7  |-  (  _I  |`  ~H )  e.  LinOp
29 f1oi 5672 . . . . . . . 8  |-  (  _I  |`  ~H ) : ~H -1-1-onto-> ~H
30 f1ofo 5640 . . . . . . . 8  |-  ( (  _I  |`  ~H ) : ~H -1-1-onto-> ~H  ->  (  _I  |` 
~H ) : ~H -onto-> ~H )
3129, 30ax-mp 8 . . . . . . 7  |-  (  _I  |`  ~H ) : ~H -onto-> ~H
32 fvresi 5883 . . . . . . . . 9  |-  ( y  e.  ~H  ->  (
(  _I  |`  ~H ) `  y )  =  y )
3332fveq2d 5691 . . . . . . . 8  |-  ( y  e.  ~H  ->  ( normh `  ( (  _I  |`  ~H ) `  y
) )  =  (
normh `  y ) )
3433rgen 2731 . . . . . . 7  |-  A. y  e.  ~H  ( normh `  (
(  _I  |`  ~H ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
3528, 31, 343pm3.2i 1132 . . . . . 6  |-  ( (  _I  |`  ~H )  e.  LinOp  /\  (  _I  |` 
~H ) : ~H -onto-> ~H  /\  A. y  e. 
~H  ( normh `  (
(  _I  |`  ~H ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
)
3620, 27, 35elimhyp 3747 . . . . 5  |-  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) )  e. 
LinOp  /\  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) : ~H -onto-> ~H  /\  A. y  e.  ~H  ( normh `  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
)
3736simp1i 966 . . . 4  |-  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\ 
A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )
) ,  T , 
(  _I  |`  ~H )
)  e.  LinOp
3836simp2i 967 . . . 4  |-  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\ 
A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )
) ,  T , 
(  _I  |`  ~H )
) : ~H -onto-> ~H
3936simp3i 968 . . . 4  |-  A. y  e.  ~H  ( normh `  ( if ( ( T  e. 
LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e. 
~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) ) ,  T ,  (  _I  |`  ~H ) ) `  y ) )  =  ( normh `  y )
4037, 38, 39lnopunii 23468 . . 3  |-  if ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\ 
A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )
) ,  T , 
(  _I  |`  ~H )
)  e.  UniOp
417, 40dedth 3740 . 2  |-  ( ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\  A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x )
)  =  ( normh `  x ) )  ->  T  e.  UniOp )
426, 41impbii 181 1  |-  ( T  e.  UniOp 
<->  ( T  e.  LinOp  /\  T : ~H -onto-> ~H  /\ 
A. x  e.  ~H  ( normh `  ( T `  x ) )  =  ( normh `  x )
) )
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:    <-> wb 177    /\ w3a 936    = wceq 1649    e. wcel 1721   A.wral 2666   ifcif 3699    _I cid 4453    |` cres 4839   -onto->wfo 5411   -1-1-onto->wf1o 5412   ` cfv 5413  (class class class)co 6040   ~Hchil 22375    .ih csp 22378   normhcno 22379   LinOpclo 22403   UniOpcuo 22405
This theorem was proved from axioms:  ax-1 5  ax-2 6  ax-3 7  ax-mp 8  ax-gen 1552  ax-5 1563  ax-17 1623  ax-9 1662  ax-8 1683  ax-13 1723  ax-14 1725  ax-6 1740  ax-7 1745  ax-11 1757  ax-12 1946  ax-ext 2385  ax-rep 4280  ax-sep 4290  ax-nul 4298  ax-pow 4337  ax-pr 4363  ax-un 4660  ax-cnex 9002  ax-resscn 9003  ax-1cn 9004  ax-icn 9005  ax-addcl 9006  ax-addrcl 9007  ax-mulcl 9008  ax-mulrcl 9009  ax-mulcom 9010  ax-addass 9011  ax-mulass 9012  ax-distr 9013  ax-i2m1 9014  ax-1ne0 9015  ax-1rid 9016  ax-rnegex 9017  ax-rrecex 9018  ax-cnre 9019  ax-pre-lttri 9020  ax-pre-lttrn 9021  ax-pre-ltadd 9022  ax-pre-mulgt0 9023  ax-pre-sup 9024  ax-hilex 22455  ax-hfvadd 22456  ax-hvcom 22457  ax-hvass 22458  ax-hv0cl 22459  ax-hvaddid 22460  ax-hfvmul 22461  ax-hvmulid 22462  ax-hvdistr2 22465  ax-hvmul0 22466  ax-hfi 22534  ax-his1 22537  ax-his2 22538  ax-his3 22539  ax-his4 22540
This theorem depends on definitions:  df-bi 178  df-or 360  df-an 361  df-3or 937  df-3an 938  df-tru 1325  df-ex 1548  df-nf 1551  df-sb 1656  df-eu 2258  df-mo 2259  df-clab 2391  df-cleq 2397  df-clel 2400  df-nfc 2529  df-ne 2569  df-nel 2570  df-ral 2671  df-rex 2672  df-reu 2673  df-rmo 2674  df-rab 2675  df-v 2918  df-sbc 3122  df-csb 3212  df-dif 3283  df-un 3285  df-in 3287  df-ss 3294  df-pss 3296  df-nul 3589  df-if 3700  df-pw 3761  df-sn 3780  df-pr 3781  df-tp 3782  df-op 3783  df-uni 3976  df-iun 4055  df-br 4173  df-opab 4227  df-mpt 4228  df-tr 4263  df-eprel 4454  df-id 4458  df-po 4463  df-so 4464  df-fr 4501  df-we 4503  df-ord 4544  df-on 4545  df-lim 4546  df-suc 4547  df-om 4805  df-xp 4843  df-rel 4844  df-cnv 4845  df-co 4846  df-dm 4847  df-rn 4848  df-res 4849  df-ima 4850  df-iota 5377  df-fun 5415  df-fn 5416  df-f 5417  df-f1 5418  df-fo 5419  df-f1o 5420  df-fv 5421  df-ov 6043  df-oprab 6044  df-mpt2 6045  df-2nd 6309  df-riota 6508  df-recs 6592  df-rdg 6627  df-er 6864  df-map 6979  df-en 7069  df-dom 7070  df-sdom 7071  df-sup 7404  df-pnf 9078  df-mnf 9079  df-xr 9080  df-ltxr 9081  df-le 9082  df-sub 9249  df-neg 9250  df-div 9634  df-nn 9957  df-2 10014  df-3 10015  df-n0 10178  df-z 10239  df-uz 10445  df-rp 10569  df-seq 11279  df-exp 11338  df-cj 11859  df-re 11860  df-im 11861  df-sqr 11995  df-hnorm 22424  df-hvsub 22427  df-lnop 23297  df-unop 23299
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