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Theorem strlem3a 5693
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.
Hypothesis
Ref Expression
strlem3a.1 S = {⟨x, y⟩∣(xCy = ((norm ‘((Proj ‘x) ‘u))↑2))}
Assertion
Ref Expression
strlem3a ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → S ∈ States)
Distinct variable group(s):   x,u,y

Proof of Theorem strlem3a
StepHypRef Expression
1 pjhclt 5248 . . . . . . . . . 10 ((xCu ∈ ℋ ) → ((Proj ‘x) ‘u) ∈ ℋ )
21adantrr 312 . . . . . . . . 9 ((xC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → ((Proj ‘x) ‘u) ∈ ℋ )
3 normclt 5076 . . . . . . . . 9 (((Proj ‘x) ‘u) ∈ ℋ → (norm ‘((Proj ‘x) ‘u)) ∈ ℝ)
4 sqreclt 4697 . . . . . . . . 9 ((norm ‘((Proj ‘x) ‘u)) ∈ ℝ → ((norm ‘((Proj ‘x) ‘u))↑2) ∈ ℝ)
52, 3, 43syl 21 . . . . . . . 8 ((xC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → ((norm ‘((Proj ‘x) ‘u))↑2) ∈ ℝ)
65exp 291 . . . . . . 7 (xC → ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → ((norm ‘((Proj ‘x) ‘u))↑2) ∈ ℝ))
76com12 13 . . . . . 6 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → (xC → ((norm ‘((Proj ‘x) ‘u))↑2) ∈ ℝ))
87r19.21aiv 1259 . . . . 5 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → ∀xC ((norm ‘((Proj ‘x) ‘u))↑2) ∈ ℝ)
9 strlem3a.1 . . . . . 6 S = {⟨x, y⟩∣(xCy = ((norm ‘((Proj ‘x) ‘u))↑2))}
109fopab2 2891 . . . . 5 (∀xC ((norm ‘((Proj ‘x) ‘u))↑2) ∈ ℝ ↔ S: C –→ℝ)
118, 10sylib 173 . . . 4 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → S: C –→ℝ)
12 pjhclt 5248 . . . . . . . . . . 11 ((zCu ∈ ℋ ) → ((Proj ‘z) ‘u) ∈ ℋ )
1312adantrr 312 . . . . . . . . . 10 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → ((Proj ‘z) ‘u) ∈ ℋ )
14 normclt 5076 . . . . . . . . . 10 (((Proj ‘z) ‘u) ∈ ℋ → (norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ∈ ℝ)
15 sqege0t 4708 . . . . . . . . . 10 ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ∈ ℝ → 0 ≤ ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2))
1613, 14, 153syl 21 . . . . . . . . 9 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → 0 ≤ ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2))
179strlem2 5692 . . . . . . . . . 10 (zC → (Sz) = ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2))
1817adantr 306 . . . . . . . . 9 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → (Sz) = ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2))
1916, 18breqtrrd 2083 . . . . . . . 8 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → 0 ≤ (Sz))
20 pjnormt 5666 . . . . . . . . . . . . 13 ((zCu ∈ ℋ ) → (norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ≤ (norm ‘u))
2120adantrr 312 . . . . . . . . . . . 12 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → (norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ≤ (norm ‘u))
22 pm3.27 260 . . . . . . . . . . . . 13 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → (norm ‘u) = 1)
2322adantl 305 . . . . . . . . . . . 12 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → (norm ‘u) = 1)
2421, 23breqtrd 2081 . . . . . . . . . . 11 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → (norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ≤ 1)
25 le2sqet 4707 . . . . . . . . . . . 12 (((norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ) → ((0 ≤ (norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ∧ 0 ≤ 1) → ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ≤ 1 ↔ ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2) ≤ (1↑2))))
2613, 14syl 12 . . . . . . . . . . . . 13 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → (norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ∈ ℝ)
27 ax1re 4064 . . . . . . . . . . . . 13 1 ∈ ℝ
2826, 27jctir 241 . . . . . . . . . . . 12 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ))
29 normge0t 5077 . . . . . . . . . . . . . 14 (((Proj ‘z) ‘u) ∈ ℋ → 0 ≤ (norm ‘((Proj ‘z) ‘u)))
3013, 29syl 12 . . . . . . . . . . . . 13 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → 0 ≤ (norm ‘((Proj ‘z) ‘u)))
31 ax0re 4063 . . . . . . . . . . . . . 14 0 ∈ ℝ
32 lt01 4377 . . . . . . . . . . . . . 14 0 < 1
3331, 27, 32ltlei 4303 . . . . . . . . . . . . 13 0 ≤ 1
3430, 33jctir 241 . . . . . . . . . . . 12 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → (0 ≤ (norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ∧ 0 ≤ 1))
3525, 28, 34sylc 62 . . . . . . . . . . 11 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u)) ≤ 1 ↔ ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2) ≤ (1↑2)))
3624, 35mpbid 170 . . . . . . . . . 10 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2) ≤ (1↑2))
37 sq1 4709 . . . . . . . . . 10 (1↑2) = 1
3836, 37syl6breq 2093 . . . . . . . . 9 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → ((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2) ≤ 1)
3918, 38eqbrtrd 2077 . . . . . . . 8 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → (Sz) ≤ 1)
4019, 39jca 236 . . . . . . 7 ((zC ∧ (u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1)) → (0 ≤ (Sz) ∧ (Sz) ≤ 1))
4140exp 291 . . . . . 6 (zC → ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → (0 ≤ (Sz) ∧ (Sz) ≤ 1)))
4241com12 13 . . . . 5 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → (zC → (0 ≤ (Sz) ∧ (Sz) ≤ 1)))
4342r19.21aiv 1259 . . . 4 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → ∀zC (0 ≤ (Sz) ∧ (Sz) ≤ 1))
4411, 43jca 236 . . 3 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → (S: C –→ℝ ∧ ∀zC (0 ≤ (Sz) ∧ (Sz) ≤ 1)))
45 pjch1t 5560 . . . . . . . 8 (u ∈ ℋ → ((Proj ‘ ℋ ) ‘u) = u)
4645fveq2d 2836 . . . . . . 7 (u ∈ ℋ → (norm ‘((Proj ‘ ℋ ) ‘u)) = (norm ‘u))
4746opreq1d 3012 . . . . . 6 (u ∈ ℋ → ((norm ‘((Proj ‘ ℋ ) ‘u))↑2) = ((norm ‘u)↑2))
48 opreq1 3006 . . . . . . 7 ((norm ‘u) = 1 → ((norm ‘u)↑2) = (1↑2))
4948, 37syl6eq 1140 . . . . . 6 ((norm ‘u) = 1 → ((norm ‘u)↑2) = 1)
5047, 49sylan9eq 1144 . . . . 5 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → ((norm ‘((Proj ‘ ℋ ) ‘u))↑2) = 1)
51 helch 5151 . . . . . 6 ℋ ∈ C
529strlem2 5692 . . . . . 6 ( ℋ ∈ C → (S ‘ ℋ ) = ((norm ‘((Proj ‘ ℋ ) ‘u))↑2))
5351, 52ax-mp 6 . . . . 5 (S ‘ ℋ ) = ((norm ‘((Proj ‘ ℋ ) ‘u))↑2)
5450, 53syl5eq 1136 . . . 4 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → (S ‘ ℋ ) = 1)
55 pjcjt2 5580 . . . . . . . . . . . . . . 15 ((zCwCu ∈ ℋ ) → (z ⊆ (⊥ ‘w) → ((Proj ‘(z w)) ‘u) = (((Proj ‘z) ‘u) +v ((Proj ‘w) ‘u))))
5655imp 277 . . . . . . . . . . . . . 14 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → ((Proj ‘(z w)) ‘u) = (((Proj ‘z) ‘u) +v ((Proj ‘w) ‘u)))
5756fveq2d 2836 . . . . . . . . . . . . 13 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → (norm ‘((Proj ‘(z w)) ‘u)) = (norm ‘(((Proj ‘z) ‘u) +v ((Proj ‘w) ‘u))))
5857opreq1d 3012 . . . . . . . . . . . 12 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → ((norm ‘((Proj ‘(z w)) ‘u))↑2) = ((norm ‘(((Proj ‘z) ‘u) +v ((Proj ‘w) ‘u)))↑2))
59 pjopytht 5662 . . . . . . . . . . . . 13 ((zCwCu ∈ ℋ ) → (z ⊆ (⊥ ‘w) → ((norm ‘(((Proj ‘z) ‘u) +v ((Proj ‘w) ‘u)))↑2) = (((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2) + ((norm ‘((Proj ‘w) ‘u))↑2))))
6059imp 277 . . . . . . . . . . . 12 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → ((norm ‘(((Proj ‘z) ‘u) +v ((Proj ‘w) ‘u)))↑2) = (((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2) + ((norm ‘((Proj ‘w) ‘u))↑2)))
6158, 60eqtrd 1128 . . . . . . . . . . 11 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → ((norm ‘((Proj ‘(z w)) ‘u))↑2) = (((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2) + ((norm ‘((Proj ‘w) ‘u))↑2)))
62 chjclt 5330 . . . . . . . . . . . . . 14 ((zCwC ) → (z w) ∈ C )
63623adant3 599 . . . . . . . . . . . . 13 ((zCwCu ∈ ℋ ) → (z w) ∈ C )
6463adantr 306 . . . . . . . . . . . 12 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → (z w) ∈ C )
659strlem2 5692 . . . . . . . . . . . 12 ((z w) ∈ C → (S ‘(z w)) = ((norm ‘((Proj ‘(z w)) ‘u))↑2))
6664, 65syl 12 . . . . . . . . . . 11 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → (S ‘(z w)) = ((norm ‘((Proj ‘(z w)) ‘u))↑2))
67 3simpa 591 . . . . . . . . . . . . 13 ((zCwCu ∈ ℋ ) → (zCwC ))
6867adantr 306 . . . . . . . . . . . 12 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → (zCwC ))
699strlem2 5692 . . . . . . . . . . . . 13 (wC → (Sw) = ((norm ‘((Proj ‘w) ‘u))↑2))
7017, 69opreqan12d 3015 . . . . . . . . . . . 12 ((zCwC ) → ((Sz) + (Sw)) = (((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2) + ((norm ‘((Proj ‘w) ‘u))↑2)))
7168, 70syl 12 . . . . . . . . . . 11 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → ((Sz) + (Sw)) = (((norm ‘((Proj ‘z) ‘u))↑2) + ((norm ‘((Proj ‘w) ‘u))↑2)))
7261, 66, 713eqtr4d 1134 . . . . . . . . . 10 (((zCwCu ∈ ℋ ) ∧ z ⊆ (⊥ ‘w)) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw)))
7372exp 291 . . . . . . . . 9 ((zCwCu ∈ ℋ ) → (z ⊆ (⊥ ‘w) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw))))
74733exp 611 . . . . . . . 8 (zC → (wC → (u ∈ ℋ → (z ⊆ (⊥ ‘w) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw))))))
7574com3r 35 . . . . . . 7 (u ∈ ℋ → (zC → (wC → (z ⊆ (⊥ ‘w) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw))))))
7675adantr 306 . . . . . 6 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → (zC → (wC → (z ⊆ (⊥ ‘w) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw))))))
7776r19.21adv 1262 . . . . 5 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → (zC → ∀wC (z ⊆ (⊥ ‘w) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw)))))
7877r19.21aiv 1259 . . . 4 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → ∀zCwC (z ⊆ (⊥ ‘w) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw))))
7954, 78jca 236 . . 3 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → ((S ‘ ℋ ) = 1 ∧ ∀zCwC (z ⊆ (⊥ ‘w) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw)))))
8044, 79jca 236 . 2 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → ((S: C –→ℝ ∧ ∀zC (0 ≤ (Sz) ∧ (Sz) ≤ 1)) ∧ ((S ‘ ℋ ) = 1 ∧ ∀zCwC (z ⊆ (⊥ ‘w) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw))))))
81 stelt 5671 . 2 (S ∈ States ↔ ((S: C –→ℝ ∧ ∀zC (0 ≤ (Sz) ∧ (Sz) ≤ 1)) ∧ ((S ‘ ℋ ) = 1 ∧ ∀zCwC (z ⊆ (⊥ ‘w) → (S ‘(z w)) = ((Sz) + (Sw))))))
8280, 81sylibr 175 1 ((u ∈ ℋ ∧ (norm ‘u) = 1) → S ∈ States)
Colors of variables: wff set class
Syntax hints:   → wi 2   ↔ wb 127   ∧ wa 196   ∧ w3a 581   = wceq 1091   ∈ wcel 1092  ∀wral 1201   ⊆ wss 1487   class class class wbr 2054  {copab 2055  –→wf 2418   ‘cfv 2422  (class class class)co 3001  ℝcr 4027  0cc0 4028  1c1 4029   + caddc 4031   ≤ cle 4092  2c2 4454  ↑cexp 4675   ℋ chil 4958   +v cva 4959  normcno 4964   C cch 4968  ⊥cort 4969   ∨ chj 4972  Projcpj 4976  Statescst 4979
This theorem is referenced by:  strlem3 5694
This theorem was proved from axioms:  ax-1 3  ax-2 4  ax-3 5  ax-mp 6  ax-4 673  ax-5 674  ax-6 675  ax-7 676  ax-gen 677  ax-8 798  ax-9 799  ax-10 800  ax-11 801  ax-12 802  ax-13 804  ax-14 805  ax-16 922  ax-17 925  ax-ext 1074  ax-rep 1075  ax-un 1076  ax-pow 1077  ax-reg 1078  ax-inf 1079  ax-ac 1080  ax-hilex 4983  ax-hvaddcl 4984  ax-hvcom 4985  ax-hvass 4986  ax-hvzercl 4987  ax-hvaddid 4988  ax-hvmulcl 4989  ax-hvmulid 4991  ax-hvmulass 4992  ax-hvdistr1 4993  ax-hvdistr2 4994  ax-hvmulzer 4995  ax-hicl 5043  ax-his1 5045  ax-his2 5046  ax-his3 5047  ax-his4 5048  ax-hcompl 5113
This theorem depends on definitions:  df-bi 128  df-or 197  df-an 198  df-3or 582  df-3an 583  df-ex 679  df-sb 853  df-eu 1009  df-mo 1010  df-clab 1093  df-cleq 1097  df-clel 1099  df-ne 1192  df-ral 1205  df-rex 1206  df-reu 1207  df-rab 1208  df-v 1349  df-sbc 1441  df-dif 1489  df-un 1490  df-in 1491  df-ss 1492  df-pss 1494  df-nul 1708  df-if 1777  df-pw 1799  df-sn 1811  df-pr 1812  df-tp 1814  df-op 1815  df-uni 1920  df-int 1966  df-iun 1996  df-tr 2042  df-br 2063  df-opab 2098  df-eprel 2122  df-id 2125  df-po 2128  df-so 2138  df-sup 2154  df-fr 2169  df-we 2186  df-ord 2202  df-on 2203  df-lim 2204  df-suc 2205  df-om 2373  df-xp 2424  df-rel 2425  df-cnv 2426  df-co 2427  df-dm 2428  df-rn 2429  df-res 2430  df-ima 2431  df-fun 2432  df-fn 2433  df-f 2434  df-f1 2435  df-fo 2436  df-f1o 2437  df-fv 2438  df-rdg 2970  df-opr 3003  df-oprab 3004  df-1st 3087  df-2nd 3088  df-1o 3104  df-oadd 3106  df-omul 3107  df-er 3200  df-ec 3202  df-qs 3205  df-ni 3794  df-pli 3795  df-mi 3796  df-lti 3797  df-plpq 3829  df-mpq 3830  df-enq 3831  df-nq 3832  df-plq 3833  df-mq 3834  df-rq 3835  df-ltq 3836  df-1q 3837  df-np 3880  df-1p 3881  df-plp 3882  df-mp 3883  df-ltp 3884  df-plpr 3958  df-mpr 3959  df-enr 3960  df-nr 3961  df-plr 3962  df-mr 3963  df-ltr 3964  df-0r 3965  df-1r 3966  df-m1r 3967  df-c 4034  df-0 4035  df-1 4036  df-i 4037  df-r 4038  df-plus 4039  df-mul 4040  df-lt 4041  df-sub 4133  df-neg 4135  df-div 4216  df-le 4277  df-n 4423  df-2 4462  df-3 4463  df-4 4464  df-n0 4535  df-z 4564  df-seq 4661  df-exp 4676  df-sqr 4728  df-re 4790  df-im 4791  df-cj 4792  df-abs 4793  df-clim 4876  df-hvsub 4996  df-hnorm 5074  df-cauchy 5102  df-hlim 5107  df-sh 5114  df-ch 5127  df-oc 5156  df-ch0 5157  df-pj 5244  df-shsum 5275  df-chj 5277  df-st 5670
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