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

Theorem strlem1 28493
 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 3889 . . 3 (¬ (𝐴𝐵) = ∅ ↔ ∃𝑥 𝑥 ∈ (𝐴𝐵))
2 ssdif0 3896 . . 3 (𝐴𝐵 ↔ (𝐴𝐵) = ∅)
31, 2xchnxbir 322 . 2 𝐴𝐵 ↔ ∃𝑥 𝑥 ∈ (𝐴𝐵))
4 eldifi 3694 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 𝑥𝐴)
5 strlem1.1 . . . . . . . . . . . 12 𝐴C
65cheli 27473 . . . . . . . . . . 11 (𝑥𝐴𝑥 ∈ ℋ)
7 normcl 27366 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ ℋ → (norm𝑥) ∈ ℝ)
84, 6, 73syl 18 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm𝑥) ∈ ℝ)
9 strlem1.2 . . . . . . . . . . . . . . . 16 𝐵C
10 ch0 27469 . . . . . . . . . . . . . . . 16 (𝐵C → 0𝐵)
119, 10ax-mp 5 . . . . . . . . . . . . . . 15 0𝐵
12 eldifn 3695 . . . . . . . . . . . . . . 15 (0 ∈ (𝐴𝐵) → ¬ 0𝐵)
1311, 12mt2 190 . . . . . . . . . . . . . 14 ¬ 0 ∈ (𝐴𝐵)
14 eleq1 2676 . . . . . . . . . . . . . 14 (𝑥 = 0 → (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) ↔ 0 ∈ (𝐴𝐵)))
1513, 14mtbiri 316 . . . . . . . . . . . . 13 (𝑥 = 0 → ¬ 𝑥 ∈ (𝐴𝐵))
1615con2i 133 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ¬ 𝑥 = 0)
17 norm-i 27370 . . . . . . . . . . . . 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 2789 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm𝑥) ≠ 0)
218, 20rereccld 10731 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (1 / (norm𝑥)) ∈ ℝ)
2221recnd 9947 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ)
235chshii 27468 . . . . . . . . . 10 𝐴S
24 shmulcl 27459 . . . . . . . . . 10 ((𝐴S ∧ (1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥𝐴) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴)
2523, 24mp3an1 1403 . . . . . . . . 9 (((1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥𝐴) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴)
2625ex 449 . . . . . . . 8 ((1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ → (𝑥𝐴 → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴))
2722, 26syl 17 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (𝑥𝐴 → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴))
288recnd 9947 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm𝑥) ∈ ℂ)
299chshii 27468 . . . . . . . . . . . 12 𝐵S
30 shmulcl 27459 . . . . . . . . . . . 12 ((𝐵S ∧ (norm𝑥) ∈ ℂ ∧ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵) → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵)
3129, 30mp3an1 1403 . . . . . . . . . . 11 (((norm𝑥) ∈ ℂ ∧ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵) → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵)
3231ex 449 . . . . . . . . . 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 10675 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) = 1)
3534oveq1d 6564 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) · 𝑥) = (1 · 𝑥))
364, 6syl 17 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 𝑥 ∈ ℋ)
37 ax-hvmulass 27248 . . . . . . . . . . . 12 (((norm𝑥) ∈ ℂ ∧ (1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥 ∈ ℋ) → (((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) · 𝑥) = ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)))
3828, 22, 36, 37syl3anc 1318 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((norm𝑥) · (1 / (norm𝑥))) · 𝑥) = ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)))
39 ax-hvmulid 27247 . . . . . . . . . . . 12 (𝑥 ∈ ℋ → (1 · 𝑥) = 𝑥)
404, 6, 393syl 18 . . . . . . . . . . 11 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (1 · 𝑥) = 𝑥)
4135, 38, 403eqtr3d 2652 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 𝑥)
4241eleq1d 2672 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((norm𝑥) · ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) ∈ 𝐵𝑥𝐵))
4333, 42sylibd 228 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵𝑥𝐵))
4443con3d 147 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (¬ 𝑥𝐵 → ¬ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵))
4527, 44anim12d 584 . . . . . 6 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((𝑥𝐴 ∧ ¬ 𝑥𝐵) → (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴 ∧ ¬ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵)))
46 eldif 3550 . . . . . 6 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) ↔ (𝑥𝐴 ∧ ¬ 𝑥𝐵))
47 eldif 3550 . . . . . 6 (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵) ↔ (((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐴 ∧ ¬ ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ 𝐵))
4845, 46, 473imtr4g 284 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵)))
4948pm2.43i 50 . . . 4 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵))
50 norm-iii 27381 . . . . . 6 (((1 / (norm𝑥)) ∈ ℂ ∧ 𝑥 ∈ ℋ) → (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = ((abs‘(1 / (norm𝑥))) · (norm𝑥)))
5122, 36, 50syl2anc 691 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = ((abs‘(1 / (norm𝑥))) · (norm𝑥)))
5215necon2ai 2811 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 𝑥 ≠ 0)
53 normgt0 27368 . . . . . . . . . 10 (𝑥 ∈ ℋ → (𝑥 ≠ 0 ↔ 0 < (norm𝑥)))
544, 6, 533syl 18 . . . . . . . . 9 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (𝑥 ≠ 0 ↔ 0 < (norm𝑥)))
5552, 54mpbid 221 . . . . . . . 8 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 0 < (norm𝑥))
56 1re 9918 . . . . . . . . 9 1 ∈ ℝ
57 0le1 10430 . . . . . . . . 9 0 ≤ 1
58 divge0 10771 . . . . . . . . 9 (((1 ∈ ℝ ∧ 0 ≤ 1) ∧ ((norm𝑥) ∈ ℝ ∧ 0 < (norm𝑥))) → 0 ≤ (1 / (norm𝑥)))
5956, 57, 58mpanl12 714 . . . . . . . 8 (((norm𝑥) ∈ ℝ ∧ 0 < (norm𝑥)) → 0 ≤ (1 / (norm𝑥)))
608, 55, 59syl2anc 691 . . . . . . 7 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → 0 ≤ (1 / (norm𝑥)))
6121, 60absidd 14009 . . . . . 6 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (abs‘(1 / (norm𝑥))) = (1 / (norm𝑥)))
6261oveq1d 6564 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((abs‘(1 / (norm𝑥))) · (norm𝑥)) = ((1 / (norm𝑥)) · (norm𝑥)))
6328, 20recid2d 10676 . . . . 5 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ((1 / (norm𝑥)) · (norm𝑥)) = 1)
6451, 62, 633eqtrd 2648 . . . 4 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 1)
65 fveq2 6103 . . . . . 6 (𝑢 = ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) → (norm𝑢) = (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)))
6665eqeq1d 2612 . . . . 5 (𝑢 = ((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) → ((norm𝑢) = 1 ↔ (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 1))
6766rspcev 3282 . . . 4 ((((1 / (norm𝑥)) · 𝑥) ∈ (𝐴𝐵) ∧ (norm‘((1 / (norm𝑥)) · 𝑥)) = 1) → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
6849, 64, 67syl2anc 691 . . 3 (𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
6968exlimiv 1845 . 2 (∃𝑥 𝑥 ∈ (𝐴𝐵) → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
703, 69sylbi 206 1 𝐴𝐵 → ∃𝑢 ∈ (𝐴𝐵)(norm𝑢) = 1)
 Colors of variables: wff setvar class Syntax hints:  ¬ wn 3   → wi 4   ↔ wb 195   ∧ wa 383   = wceq 1475  ∃wex 1695   ∈ wcel 1977   ≠ wne 2780  ∃wrex 2897   ∖ cdif 3537   ⊆ wss 3540  ∅c0 3874   class class class wbr 4583  ‘cfv 5804  (class class class)co 6549  ℂcc 9813  ℝcr 9814  0cc0 9815  1c1 9816   · cmul 9820   < clt 9953   ≤ cle 9954   / cdiv 10563  abscabs 13822   ℋchil 27160   ·ℎ csm 27162  normℎcno 27164  0ℎc0v 27165   Sℋ csh 27169   Cℋ cch 27170 This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1713  ax-4 1728  ax-5 1827  ax-6 1875  ax-7 1922  ax-8 1979  ax-9 1986  ax-10 2006  ax-11 2021  ax-12 2034  ax-13 2234  ax-ext 2590  ax-sep 4709  ax-nul 4717  ax-pow 4769  ax-pr 4833  ax-un 6847  ax-cnex 9871  ax-resscn 9872  ax-1cn 9873  ax-icn 9874  ax-addcl 9875  ax-addrcl 9876  ax-mulcl 9877  ax-mulrcl 9878  ax-mulcom 9879  ax-addass 9880  ax-mulass 9881  ax-distr 9882  ax-i2m1 9883  ax-1ne0 9884  ax-1rid 9885  ax-rnegex 9886  ax-rrecex 9887  ax-cnre 9888  ax-pre-lttri 9889  ax-pre-lttrn 9890  ax-pre-ltadd 9891  ax-pre-mulgt0 9892  ax-pre-sup 9893  ax-hilex 27240  ax-hfvadd 27241  ax-hv0cl 27244  ax-hfvmul 27246  ax-hvmulid 27247  ax-hvmulass 27248  ax-hvmul0 27251  ax-hfi 27320  ax-his1 27323  ax-his3 27325  ax-his4 27326 This theorem depends on definitions:  df-bi 196  df-or 384  df-an 385  df-3or 1032  df-3an 1033  df-tru 1478  df-ex 1696  df-nf 1701  df-sb 1868  df-eu 2462  df-mo 2463  df-clab 2597  df-cleq 2603  df-clel 2606  df-nfc 2740  df-ne 2782  df-nel 2783  df-ral 2901  df-rex 2902  df-reu 2903  df-rmo 2904  df-rab 2905  df-v 3175  df-sbc 3403  df-csb 3500  df-dif 3543  df-un 3545  df-in 3547  df-ss 3554  df-pss 3556  df-nul 3875  df-if 4037  df-pw 4110  df-sn 4126  df-pr 4128  df-tp 4130  df-op 4132  df-uni 4373  df-iun 4457  df-br 4584  df-opab 4644  df-mpt 4645  df-tr 4681  df-eprel 4949  df-id 4953  df-po 4959  df-so 4960  df-fr 4997  df-we 4999  df-xp 5044  df-rel 5045  df-cnv 5046  df-co 5047  df-dm 5048  df-rn 5049  df-res 5050  df-ima 5051  df-pred 5597  df-ord 5643  df-on 5644  df-lim 5645  df-suc 5646  df-iota 5768  df-fun 5806  df-fn 5807  df-f 5808  df-f1 5809  df-fo 5810  df-f1o 5811  df-fv 5812  df-riota 6511  df-ov 6552  df-oprab 6553  df-mpt2 6554  df-om 6958  df-2nd 7060  df-wrecs 7294  df-recs 7355  df-rdg 7393  df-er 7629  df-en 7842  df-dom 7843  df-sdom 7844  df-sup 8231  df-pnf 9955  df-mnf 9956  df-xr 9957  df-ltxr 9958  df-le 9959  df-sub 10147  df-neg 10148  df-div 10564  df-nn 10898  df-2 10956  df-3 10957  df-n0 11170  df-z 11255  df-uz 11564  df-rp 11709  df-seq 12664  df-exp 12723  df-cj 13687  df-re 13688  df-im 13689  df-sqrt 13823  df-abs 13824  df-hnorm 27209  df-sh 27448  df-ch 27462 This theorem is referenced by:  stri  28500  hstri  28508
 Copyright terms: Public domain W3C validator