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Stone's theorem, finite-dimensional form (Hermitian ⟺ unitary one-parameter groups) #1510
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| @@ -0,0 +1,214 @@ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| /- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Copyright (c) 2026 Tom Ole Diem. All rights reserved. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Released under Apache 2.0 license as described in the file LICENSE. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Authors: Tom Ole Diem | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| module | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| public import Mathlib.Analysis.Calculus.Deriv.Shift | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| public import Mathlib.Analysis.Calculus.MeanValue | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| public import Mathlib.Analysis.SpecialFunctions.Exponential | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| public import Mathlib.MeasureTheory.Integral.IntervalIntegral.FundThmCalculus | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-! | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| # One-parameter subgroups of real Banach algebras | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| ## i. Overview | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Let `E` be a real Banach algebra. This file proves that every continuous additive character | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `U : AddChar ℝ E` has the form `U(t) = exp (t • A)`, where `A = deriv U 0`. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| This is the Banach-algebra argument underlying the correspondence between norm-continuous unitary | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| time evolutions and bounded self-adjoint Hamiltonians. See | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `Physlib.QuantumMechanics.UnitaryTimeEvolution`, in | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| particular `QuantumMechanics.UnitaryTimeEvolution.stoneEquiv`, for the physical statement. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| **Proof outline.** Continuity at zero implies that, for sufficiently small `d > 0`, the integral of | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `U` over `[0, d]` is close to `d • 1` and therefore invertible. If `I` is the indefinite integral of | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `U`, the homomorphism law gives `U(t) * I(d) = I(t + d) - I(t)`. This identity proves that `U` is | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| differentiable. Setting `A` to the derivative at zero then gives the differential equation | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| `U'(t) = U(t)A`. Consequently `U(t) * exp (-tA)` has zero derivative and is constant. Uniqueness | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| follows by differentiating two exponential representations at zero. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| ## ii. Key results | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| * `OneParameterSubgroup.apply_eq_exp_smul_deriv`: A continuous one-parameter subgroup is the | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exponential of its derivative at zero. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| * `OneParameterSubgroup.generator_unique`: Any exponential generator equals the derivative at zero. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| ## iii. References | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| @[expose] public section | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| open Filter Topology | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| noncomputable section | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| namespace OneParameterSubgroup | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| variable {E : Type*} [NormedRing E] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| variable [NormedAlgebra ℝ E] [CompleteSpace E] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- `NormedSpace.exp`'s API wants a `ℚ`-algebra structure (for the `1/n!` coefficients), which | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| isn't automatic from `NormedAlgebra ℝ E` alone; derive it once here rather than at each use site. -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| local instance : NormedAlgebra ℚ E := .restrictScalars ℚ ℝ E | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| lemma exists_isUnit_intervalIntegral [Nontrivial E] (U : AddChar ℝ E) (hU : Continuous U) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∃ d : ℝ, 0 < d ∧ IsUnit (∫ x in (0 : ℝ)..d, U x) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let c : ℝ := ‖(1 : E)‖⁻¹ / 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hone : 0 < ‖(1 : E)‖ := norm_pos_iff.mpr one_ne_zero | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hc : 0 < c := by dsimp [c]; positivity | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hevent : ∀ᶠ x : ℝ in 𝓝 0, ‖U x - 1‖ < c := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hnorm : Continuous (fun x : ℝ => ‖U x - 1‖) := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| continuous_norm.comp (hU.sub continuous_const) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hmem : Set.Iio c ∈ 𝓝 ‖U 0 - 1‖ := by simpa using Iio_mem_nhds hc | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hnorm.continuousAt hmem | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [Metric.eventually_nhds_iff] at hevent | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨r, hr, hrU⟩ := hevent | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let d := r / 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hd : 0 < d := by dsimp [d]; positivity | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
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Suggested change
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| let q : Eˣ := { | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| val := d • 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| inv := d⁻¹ • 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| val_inv := by rw [smul_mul_smul_comm, mul_inv_cancel₀ hd.ne', one_smul, one_mul] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| inv_val := by rw [smul_mul_smul_comm, inv_mul_cancel₀ hd.ne', one_smul, one_mul] } | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hnear : ‖(∫ x in (0 : ℝ)..d, U x) - (q : E)‖ < ‖(↑q⁻¹ : E)‖⁻¹ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hqd : (q : E) = d • 1 := rfl | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hrewrite : (∫ x in (0 : ℝ)..d, U x) - (q : E) = | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ∫ x in (0 : ℝ)..d, (U x - 1) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hqd] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| calc | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (∫ x in (0 : ℝ)..d, U x) - d • 1 = | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (∫ x in (0 : ℝ)..d, U x) - ∫ _x in (0 : ℝ)..d, (1 : E) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [intervalIntegral.integral_const, sub_zero] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| _ = ∫ x in (0 : ℝ)..d, (U x - 1) := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (intervalIntegral.integral_sub (hU.intervalIntegrable 0 d) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (continuous_const.intervalIntegrable 0 d)).symm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hrewrite] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hle : ‖∫ x in (0 : ℝ)..d, (U x - 1)‖ ≤ c * d := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| calc | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| _ ≤ c * |d - 0| := intervalIntegral.norm_integral_le_of_norm_le_const (fun x hx => by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| apply le_of_lt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| apply hrU | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [Real.dist_0_eq_abs] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [Set.uIoc_of_le hd.le] at hx | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [abs_of_nonneg hx.1.le] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact hx.2.trans_lt (by dsimp [d]; linarith)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| _ = c * d := by rw [sub_zero, abs_of_pos hd] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hright : ‖(↑q⁻¹ : E)‖⁻¹ = d * ‖(1 : E)‖⁻¹ := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hqinv : (↑q⁻¹ : E) = d⁻¹ • (1 : E) := rfl | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hqinv, norm_smul, Real.norm_eq_abs, abs_inv, abs_of_pos hd] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| field_simp | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hright] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| refine hle.trans_lt ?_ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| dsimp [c] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| nlinarith [inv_pos.mpr hone] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ⟨d, hd, (Units.ofNearby q _ hnear).isUnit⟩ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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+79
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+110
Collaborator
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Suggested change
More of a stylistic suggestion, but I think this proof would be easier to follow (and maintain) if you use the value of |
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| lemma differentiable [Nontrivial E] (U : AddChar ℝ E) (hU : Continuous U) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Differentiable ℝ U := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| obtain ⟨d, _, hV⟩ := exists_isUnit_intervalIntegral U hU | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let V : E := ∫ x in (0 : ℝ)..d, U x | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let v : Eˣ := hV.unit | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hv : (v : E) = V := hV.unit_spec | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let F : ℝ → E := fun t => ∫ x in (0 : ℝ)..t, U x | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hF (t : ℝ) : HasDerivAt F (U t) t := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (hU.integral_hasStrictDerivAt 0 t).hasDerivAt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have htranslate (t : ℝ) : U t * V = F (t + d) - F t := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
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U s * ∫ x in 0..t, U x = (∫ x in 0..(s+t), U x) - ∫ x in 0..s, U x := by
&c.or even lemma mul_intervalIntegral_eq (U : AddChar ℝ E) (s t : ℝ) :
U s * ∫ x in 0..t, U x = ∫ x in s..(s+t), U x := by
&c.I'm not sure which one would be better since they are one step away using |
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| have hmul : U t * V = ∫ x in (0 : ℝ)..d, U (t + x) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let L : E →L[ℝ] E := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (LinearMap.mulLeft ℝ (U t)).mkContinuous ‖U t‖ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (fun x => norm_mul_le _ _) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| change U t * (∫ x in (0 : ℝ)..d, U x) = _ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| calc | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| _ = L (∫ x in (0 : ℝ)..d, U x) := rfl | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| _ = ∫ x in (0 : ℝ)..d, L (U x) := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (L.intervalIntegral_comp_comm (hU.intervalIntegrable 0 d)).symm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| _ = ∫ x in (0 : ℝ)..d, U (t + x) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| apply intervalIntegral.integral_congr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro x _ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact (U.map_add_eq_mul t x).symm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hmul] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| dsimp only [F] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [intervalIntegral.integral_comp_add_left] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simp only [add_zero] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [eq_sub_iff_add_eq, add_comm] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact intervalIntegral.integral_add_adjacent_intervals | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (μ := MeasureTheory.volume) (hU.intervalIntegrable 0 t) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (hU.intervalIntegrable t (t + d)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| intro t | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hR : HasDerivAt (fun s : ℝ => F (s + d) - F s) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (U (t + d) - U t) t := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact (HasDerivAt.comp_add_const t d (hF (t + d))).sub (hF t) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have heq : U = fun s : ℝ => (F (s + d) - F s) * (↑v⁻¹ : E) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| funext s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| calc | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| U s = (U s * (v : E)) * (↑v⁻¹ : E) := by simp | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| _ = (F (s + d) - F s) * (↑v⁻¹ : E) := by rw [hv, htranslate] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [heq] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact (hR.mul_const (↑v⁻¹ : E)).differentiableAt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| lemma apply_eq_exp_smul_deriv (U : AddChar ℝ E) (hU : Continuous U) (t : ℝ) : | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| U t = NormedSpace.exp (t • deriv U 0) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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+155
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+156
Collaborator
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let G : ℝ → E := fun t => U t * NormedSpace.exp (t • (-deriv U 0))
have hG : Differentiable ℝ G := sorry
suffices deriv G = 0 by
sorry
&c.to start? |
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| cases subsingleton_or_nontrivial E with | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | inl h => | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let : Subsingleton E := h | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact Subsingleton.elim _ _ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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+158
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+160
Collaborator
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Suggested change
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| | inr h => | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let : Nontrivial E := h | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Collaborator
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This line can be deleted with no change! It's just giving |
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| have hdiff : Differentiable ℝ U := differentiable U hU | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let A : E := deriv U 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hUderiv (t : ℝ) : HasDerivAt U (U t * A) t := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have ht : HasDerivAt U (deriv U t) t := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| hdiff.differentiableAt.hasDerivAt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have h0 : HasDerivAt U (deriv U 0) 0 := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| hdiff.differentiableAt.hasDerivAt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hleft : HasDerivAt (fun s : ℝ => U (t + s)) (deriv U t) 0 := | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HasDerivAt.comp_const_add t 0 (by simpa using ht) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hright : HasDerivAt (fun s : ℝ => U t * U s) (U t * A) 0 := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| dsimp only [A] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact HasDerivAt.const_mul (U t) h0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have heq : (fun s : ℝ => U (t + s)) = fun s : ℝ => U t * U s := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| funext s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact U.map_add_eq_mul t s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hder : deriv U t = U t * A := hleft.unique (heq ▸ hright) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rwa [← hder] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hE (t : ℝ) : HasDerivAt (fun s : ℝ => NormedSpace.exp (s • (-A))) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (NormedSpace.exp (t • (-A)) * (-A)) t := hasDerivAt_exp_smul_const (-A) t | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let G : ℝ → E := fun t => U t * NormedSpace.exp (t • (-A)) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hG : Differentiable ℝ G := fun t => ((hUderiv t).mul (hE t)).differentiableAt | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hGder (t : ℝ) : deriv G t = 0 := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| apply ((hUderiv t).mul (hE t)).deriv.trans | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hcomm : Commute A (NormedSpace.exp (t • (-A))) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact ((Commute.refl A).neg_right.smul_right t).exp_right | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [mul_assoc, hcomm.eq] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| noncomm_ring | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hconst (t : ℝ) : G t = G 0 := is_const_of_deriv_eq_zero hG hGder t 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hone : U t * NormedSpace.exp (t • (-A)) = 1 := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| simpa [G] using hconst t | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hneg : t • (-A) = -(t • A) := by module | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hinv : NormedSpace.exp (t • (-A)) = Ring.inverse (NormedSpace.exp (t • A)) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hneg] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact (Ring.inverse_exp (t • A)).symm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hinv] at hone | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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+191
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Suggested change
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| have hexp : IsUnit (NormedSpace.exp (t • A)) := NormedSpace.isUnit_exp (t • A) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| let e : Eˣ := hexp.unit | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have he : (e : E) = NormedSpace.exp (t • A) := hexp.unit_spec | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [← he, Ring.inverse_unit] at hone | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| calc | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| U t = (U t * (↑e⁻¹ : E)) * (e : E) := by simp | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| _ = NormedSpace.exp (t • A) := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hone, one_mul, he] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| /-- Any exponential generator of a one-parameter subgroup is its derivative at zero. -/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| lemma generator_unique (U : AddChar ℝ E) (A : E) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (h : ∀ t : ℝ, U t = NormedSpace.exp (t • A)) : A = deriv U 0 := by | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| have hfun : U = fun t : ℝ => NormedSpace.exp (t • A) := funext h | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| rw [hfun] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| exact (by simpa using (hasDerivAt_exp_smul_const A (0 : ℝ)).deriv.symm) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Suggested change
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| end OneParameterSubgroup | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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