-- Mathlib/LinearAlgebra/Eigenspace/Pi.lean
/-- Given a family of endomorphisms `i ↦ f i` which are compatible in the sense that every maximal
generalised eigenspace of `f i` is invariant wrt `f j`, if each `f i` is triangularizable, the
family is simultaneously triangularizable. -/
lemma iSup_iInf_maxGenEigenspace_eq_top_of_forall_mapsTo [FiniteDimensional K M]
    (f : ι → End K M)
    (h : ∀ i j φ, MapsTo (f i) ((f j).maxGenEigenspace φ) ((f j).maxGenEigenspace φ))
    (h' : ∀ i, ⨆ μ, (f i).maxGenEigenspace μ = ⊤) :
    ⨆ χ : ι → K, ⨅ i, (f i).maxGenEigenspace (χ i) = ⊤

Proof state:
ι : Type u_1
K : Type u_3
inst✝³ : Field K
n : ℕ
M : Type u_4
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module K M
inst✝ : FiniteDimensional K M
f : ι → End K M
h : ∀ (i j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f i) ↑((f j).maxGenEigenspace φ) ↑((f j).maxGenEigenspace φ)
h' : ∀ (i : ι), ⨆ μ, (f i).maxGenEigenspace μ = ⊤
h_dim : finrank K M = n
i : ι
hy : ∀ (φ : K), finrank K ↥((f i).maxGenEigenspace φ) < n
hi : ∀ (j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f j) ↑((f i).maxGenEigenspace φ) ↑((f i).maxGenEigenspace φ)
φ : K
this : ∀ (χ : ι → K), χ i ≠ φ → ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊥
ih✝ : ⨆ χ, ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊤
ih :
  (⨆ i_1, ⨆ (_ : i_1 i ≠ φ), ⊥) ⊔
      ⨆ i_1, ⨆ (_ : ¬i_1 i ≠ φ), ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (i_1 j) =
    ⊤
⊢ ⨆ χ, ⨆ (_ : χ i = φ), ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊤

Tactic:
simpa using ih

Result:
no goals

Proof state:
case h
ι : Type u_1
K : Type u_3
inst✝³ : Field K
n : ℕ
ih :
  ∀ m < n,
    ∀ {M : Type u_4} [inst : AddCommGroup M] [inst_1 : Module K M] [inst_2 : FiniteDimensional K M] (f : ι → End K M),
      (∀ (i j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f i) ↑((f j).maxGenEigenspace φ) ↑((f j).maxGenEigenspace φ)) →
        (∀ (i : ι), ⨆ μ, (f i).maxGenEigenspace μ = ⊤) → finrank K M = m → ⨆ χ, ⨅ i, (f i).maxGenEigenspace (χ i) = ⊤
M : Type u_4
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module K M
inst✝ : FiniteDimensional K M
f : ι → End K M
h : ∀ (i j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f i) ↑((f j).maxGenEigenspace φ) ↑((f j).maxGenEigenspace φ)
h' : ∀ (i : ι), ⨆ μ, (f i).maxGenEigenspace μ = ⊤
h_dim : finrank K M = n
i : ι
hy : ∀ (φ : K), finrank K ↥((f i).maxGenEigenspace φ) < n
hi : ∀ (j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f j) ↑((f i).maxGenEigenspace φ) ↑((f i).maxGenEigenspace φ)
φ : K
j k : ι
μ : K
⊢ MapsTo ⇑(LinearMap.restrict (f j) ⋯) ↑(maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f k) ⋯) μ)
    ↑(maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f k) ⋯) μ)

Tactic:
exact mapsTo_restrict_maxGenEigenspace_restrict_of_mapsTo (f j) (f k) _ _ (h j k μ)

Result:
no goals

Proof state:
ι : Type u_1
K : Type u_3
inst✝³ : Field K
n : ℕ
M : Type u_4
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module K M
inst✝ : FiniteDimensional K M
f : ι → End K M
h : ∀ (i j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f i) ↑((f j).maxGenEigenspace φ) ↑((f j).maxGenEigenspace φ)
h' : ∀ (i : ι), ⨆ μ, (f i).maxGenEigenspace μ = ⊤
h_dim : finrank K M = n
i : ι
hy : ∀ (φ : K), finrank K ↥((f i).maxGenEigenspace φ) < n
hi : ∀ (j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f j) ↑((f i).maxGenEigenspace φ) ↑((f i).maxGenEigenspace φ)
ih : ∀ (φ : K), ⨆ χ, ⨆ (_ : χ i = φ), ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊤
φ : K
χ : ι → K
hχ : χ i = φ
⊢ ⨅ j, (f j).maxGenEigenspace (χ j) =
    Submodule.map ((f i).maxGenEigenspace φ).subtype (⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j))

Tactic:
rw [← hχ, iInf_maxGenEigenspace_restrict_map_subtype_eq]

Result:
no goals

Proof state:
case ind.inr.intro
ι : Type u_1
K : Type u_3
inst✝³ : Field K
n : ℕ
M : Type u_4
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module K M
inst✝ : FiniteDimensional K M
f : ι → End K M
h : ∀ (i j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f i) ↑((f j).maxGenEigenspace φ) ↑((f j).maxGenEigenspace φ)
h' : ∀ (i : ι), ⨆ μ, (f i).maxGenEigenspace μ = ⊤
h_dim : finrank K M = n
i : ι
hy : ∀ (φ : K), finrank K ↥((f i).maxGenEigenspace φ) < n
hi : ∀ (j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f j) ↑((f i).maxGenEigenspace φ) ↑((f i).maxGenEigenspace φ)
ih : ∀ (φ : K), ⨆ χ, ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊤
⊢ ⨆ χ, ⨅ i, (f i).maxGenEigenspace (χ i) = ⊤

Tactic:
replace ih (φ : K) :
    ⨆ (χ : ι → K) (_ : χ i = φ), ⨅ j, maxGenEigenspace ((f j).restrict (hi j φ)) (χ j) = ⊤ := by
  suffices ∀ χ : ι → K, χ i ≠ φ → ⨅ j, maxGenEigenspace ((f j).restrict (hi j φ)) (χ j) = ⊥ by
    specialize ih φ; rw [iSup_split, biSup_congr this] at ih; simpa using ih
  intro χ hχ
  rw [eq_bot_iff, ← ((f i).maxGenEigenspace φ).ker_subtype, LinearMap.ker,
    ← Submodule.map_le_iff_le_comap, ← Submodule.inf_iInf_maxGenEigenspace_of_forall_mapsTo,
    ← disjoint_iff_inf_le]
  exact ((f i).disjoint_genEigenspace hχ.symm _ _).mono_right (iInf_le _ i)

Result:
case ind.inr.intro
ι : Type u_1
K : Type u_3
inst✝³ : Field K
n : ℕ
M : Type u_4
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module K M
inst✝ : FiniteDimensional K M
f : ι → End K M
h : ∀ (i j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f i) ↑((f j).maxGenEigenspace φ) ↑((f j).maxGenEigenspace φ)
h' : ∀ (i : ι), ⨆ μ, (f i).maxGenEigenspace μ = ⊤
h_dim : finrank K M = n
i : ι
hy : ∀ (φ : K), finrank K ↥((f i).maxGenEigenspace φ) < n
hi : ∀ (j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f j) ↑((f i).maxGenEigenspace φ) ↑((f i).maxGenEigenspace φ)
ih : ∀ (φ : K), ⨆ χ, ⨆ (_ : χ i = φ), ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊤
⊢ ⨆ χ, ⨅ i, (f i).maxGenEigenspace (χ i) = ⊤

Proof state:
ι : Type u_1
K : Type u_3
inst✝³ : Field K
n : ℕ
M : Type u_4
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module K M
inst✝ : FiniteDimensional K M
f : ι → End K M
h : ∀ (i j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f i) ↑((f j).maxGenEigenspace φ) ↑((f j).maxGenEigenspace φ)
h' : ∀ (i : ι), ⨆ μ, (f i).maxGenEigenspace μ = ⊤
h_dim : finrank K M = n
i : ι
hy : ∀ (φ : K), finrank K ↥((f i).maxGenEigenspace φ) < n
hi : ∀ (j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f j) ↑((f i).maxGenEigenspace φ) ↑((f i).maxGenEigenspace φ)
ih : ∀ (φ : K), ⨆ χ, ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊤
φ : K
⊢ ⨆ χ, ⨆ (_ : χ i = φ), ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊤

Tactic:
suffices ∀ χ : ι → K, χ i ≠ φ → ⨅ j, maxGenEigenspace ((f j).restrict (hi j φ)) (χ j) = ⊥ by
  specialize ih φ; rw [iSup_split, biSup_congr this] at ih; simpa using ih

Result:
ι : Type u_1
K : Type u_3
inst✝³ : Field K
n : ℕ
M : Type u_4
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module K M
inst✝ : FiniteDimensional K M
f : ι → End K M
h : ∀ (i j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f i) ↑((f j).maxGenEigenspace φ) ↑((f j).maxGenEigenspace φ)
h' : ∀ (i : ι), ⨆ μ, (f i).maxGenEigenspace μ = ⊤
h_dim : finrank K M = n
i : ι
hy : ∀ (φ : K), finrank K ↥((f i).maxGenEigenspace φ) < n
hi : ∀ (j : ι) (φ : K), MapsTo ⇑(f j) ↑((f i).maxGenEigenspace φ) ↑((f i).maxGenEigenspace φ)
ih : ∀ (φ : K), ⨆ χ, ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊤
φ : K
⊢ ∀ (χ : ι → K), χ i ≠ φ → ⨅ j, maxGenEigenspace (LinearMap.restrict (f j) ⋯) (χ j) = ⊥