-- Mathlib/Algebra/Lie/LieTheorem.lean
/-- An auxiliary lemma used only in the definition `LieModule.weightSpaceOfIsLieTower` below. -/
private lemma weightSpaceOfIsLieTower_aux (z : L) (v : V) (hv : v ∈ weightSpace V χ) :
    ⁅z, v⁆ ∈ weightSpace V χ

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
trace_za_zero : (LinearMap.trace R ↥U) ((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) = 0
w : A
⊢ (LinearMap.trace R ↥U) (LieModule.T χ w) = 0

Tactic:
have key (i : ℕ) (hi : i ≠ 0) : ∃ j < i, Submodule.map (T χ w) (U' i) ≤ U' j := by
  obtain ⟨j, rfl⟩ := Nat.exists_eq_succ_of_ne_zero hi
  exact ⟨j, j.lt_succ_self, T_apply_succ w j⟩

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
trace_za_zero : (LinearMap.trace R ↥U) ((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) = 0
w : A
key : ∀ (i : ℕ), i ≠ 0 → ∃ j < i, Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' i) ≤ U' j
⊢ (LinearMap.trace R ↥U) (LieModule.T χ w) = 0

Proof state:
case inr
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
n : ℕ
hn :
  ∀ (w : A),
    ∀ a < n + 1,
      (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ a) v) ∈ Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}
w : A
hm : n + 1 < n + 1 + 1
H :
  ∀ (w : A), ⁅w, ((toEnd R L V) z ^ n) v⁆ = (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ n) v) + χ w • ((toEnd R L V) z ^ n) v
⊢ (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ (n + 1)) v) ∈ Submodule.span R {x | ∃ i < n + 1, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}

Tactic:
rw [T, LinearMap.sub_apply, pow_succ', LinearMap.mul_apply, LieModule.toEnd_apply_apply,
  LieModule.toEnd_apply_apply, LinearMap.smul_apply, LinearMap.one_apply, leibniz_lie,
  lie_swap_lie w z, H, H, lie_add, lie_smul, add_sub_assoc, add_sub_assoc, sub_self, add_zero]

Result:
case inr
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
n : ℕ
hn :
  ∀ (w : A),
    ∀ a < n + 1,
      (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ a) v) ∈ Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}
w : A
hm : n + 1 < n + 1 + 1
H :
  ∀ (w : A), ⁅w, ((toEnd R L V) z ^ n) v⁆ = (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ n) v) + χ w • ((toEnd R L V) z ^ n) v
⊢ -((LieModule.T χ ⁅z, w⁆) (((toEnd R L V) z ^ n) v) + χ ⁅z, w⁆ • ((toEnd R L V) z ^ n) v) +
      ⁅z, (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ n) v)⁆ ∈
    Submodule.span R {x | ∃ i < n + 1, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}