-- Mathlib/Algebra/DirectSum/LinearMap.lean
/-- If a linear map `f : M₁ → M₂` respects direct sum decompositions of `M₁` and `M₂`, then it has a
block diagonal matrix with respect to bases compatible with the direct sum decompositions. -/
lemma toMatrix_directSum_collectedBasis_eq_blockDiagonal' {R M₁ M₂ : Type*} [CommSemiring R]
    [AddCommMonoid M₁] [Module R M₁] {N₁ : ι → Submodule R M₁} (h₁ : IsInternal N₁)
    [AddCommMonoid M₂] [Module R M₂] {N₂ : ι → Submodule R M₂} (h₂ : IsInternal N₂)
    {κ₁ κ₂ : ι → Type*} [∀ i, Fintype (κ₁ i)] [∀ i, Finite (κ₂ i)] [∀ i, DecidableEq (κ₁ i)]
    [Fintype ι] (b₁ : (i : ι) → Basis (κ₁ i) R (N₁ i)) (b₂ : (i : ι) → Basis (κ₂ i) R (N₂ i))
    {f : M₁ →ₗ[R] M₂} (hf : ∀ i, MapsTo f (N₁ i) (N₂ i)) :
    toMatrix (h₁.collectedBasis b₁) (h₂.collectedBasis b₂) f =
    Matrix.blockDiagonal' fun i ↦ toMatrix (b₁ i) (b₂ i) (f.restrict (hf i))

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁹ : DecidableEq ι
R : Type u_4
M₁ : Type u_5
M₂ : Type u_6
inst✝⁸ : CommSemiring R
inst✝⁷ : AddCommMonoid M₁
inst✝⁶ : Module R M₁
N₁ : ι → Submodule R M₁
h₁ : IsInternal N₁
inst✝⁵ : AddCommMonoid M₂
inst✝⁴ : Module R M₂
N₂ : ι → Submodule R M₂
h₂ : IsInternal N₂
κ₁ : ι → Type u_7
κ₂ : ι → Type u_8
inst✝³ : (i : ι) → Fintype (κ₁ i)
inst✝² : ∀ (i : ι), Finite (κ₂ i)
inst✝¹ : (i : ι) → DecidableEq (κ₁ i)
inst✝ : Fintype ι
b₁ : (i : ι) → Basis (κ₁ i) R ↥(N₁ i)
b₂ : (i : ι) → Basis (κ₂ i) R ↥(N₂ i)
f : M₁ →ₗ[R] M₂
hf : ∀ (i : ι), MapsTo ⇑f ↑(N₁ i) ↑(N₂ i)
⊢ (toMatrix (h₁.collectedBasis b₁) (h₂.collectedBasis b₂)) f =
    Matrix.blockDiagonal' fun i => (toMatrix (b₁ i) (b₂ i)) (f.restrict ⋯)

Tactic:
ext ⟨i, _⟩ ⟨j, _⟩

Result:
case a.mk.mk
ι : Type u_1
inst✝⁹ : DecidableEq ι
R : Type u_4
M₁ : Type u_5
M₂ : Type u_6
inst✝⁸ : CommSemiring R
inst✝⁷ : AddCommMonoid M₁
inst✝⁶ : Module R M₁
N₁ : ι → Submodule R M₁
h₁ : IsInternal N₁
inst✝⁵ : AddCommMonoid M₂
inst✝⁴ : Module R M₂
N₂ : ι → Submodule R M₂
h₂ : IsInternal N₂
κ₁ : ι → Type u_7
κ₂ : ι → Type u_8
inst✝³ : (i : ι) → Fintype (κ₁ i)
inst✝² : ∀ (i : ι), Finite (κ₂ i)
inst✝¹ : (i : ι) → DecidableEq (κ₁ i)
inst✝ : Fintype ι
b₁ : (i : ι) → Basis (κ₁ i) R ↥(N₁ i)
b₂ : (i : ι) → Basis (κ₂ i) R ↥(N₂ i)
f : M₁ →ₗ[R] M₂
hf : ∀ (i : ι), MapsTo ⇑f ↑(N₁ i) ↑(N₂ i)
i : ι
snd✝¹ : κ₂ i
j : ι
snd✝ : κ₁ j
⊢ (toMatrix (h₁.collectedBasis b₁) (h₂.collectedBasis b₂)) f ⟨i, snd✝¹⟩ ⟨j, snd✝⟩ =
    Matrix.blockDiagonal' (fun i => (toMatrix (b₁ i) (b₂ i)) (f.restrict ⋯)) ⟨i, snd✝¹⟩ ⟨j, snd✝⟩

Proof state:
case a.mk.mk.inr
ι : Type u_1
inst✝⁹ : DecidableEq ι
R : Type u_4
M₁ : Type u_5
M₂ : Type u_6
inst✝⁸ : CommSemiring R
inst✝⁷ : AddCommMonoid M₁
inst✝⁶ : Module R M₁
N₁ : ι → Submodule R M₁
h₁ : IsInternal N₁
inst✝⁵ : AddCommMonoid M₂
inst✝⁴ : Module R M₂
N₂ : ι → Submodule R M₂
h₂ : IsInternal N₂
κ₁ : ι → Type u_7
κ₂ : ι → Type u_8
inst✝³ : (i : ι) → Fintype (κ₁ i)
inst✝² : ∀ (i : ι), Finite (κ₂ i)
inst✝¹ : (i : ι) → DecidableEq (κ₁ i)
inst✝ : Fintype ι
b₁ : (i : ι) → Basis (κ₁ i) R ↥(N₁ i)
b₂ : (i : ι) → Basis (κ₂ i) R ↥(N₂ i)
f : M₁ →ₗ[R] M₂
hf : ∀ (i : ι), MapsTo ⇑f ↑(N₁ i) ↑(N₂ i)
i : ι
snd✝¹ : κ₂ i
j : ι
snd✝ : κ₁ j
hij : i ≠ j
⊢ ((h₂.collectedBasis b₂).repr (f ((h₁.collectedBasis b₁) ⟨j, snd✝⟩))) ⟨i, snd✝¹⟩ =
    if h : i = j then ((b₂ i).repr ((f.restrict ⋯) ((b₁ i) (cast ⋯ snd✝)))) snd✝¹ else 0

Tactic:
simp [hij, h₂.collectedBasis_repr_of_mem_ne _ hij.symm (hf _ (Subtype.mem _))]

Result:
no goals

Proof state:
case a.mk.mk
ι : Type u_1
inst✝⁹ : DecidableEq ι
R : Type u_4
M₁ : Type u_5
M₂ : Type u_6
inst✝⁸ : CommSemiring R
inst✝⁷ : AddCommMonoid M₁
inst✝⁶ : Module R M₁
N₁ : ι → Submodule R M₁
h₁ : IsInternal N₁
inst✝⁵ : AddCommMonoid M₂
inst✝⁴ : Module R M₂
N₂ : ι → Submodule R M₂
h₂ : IsInternal N₂
κ₁ : ι → Type u_7
κ₂ : ι → Type u_8
inst✝³ : (i : ι) → Fintype (κ₁ i)
inst✝² : ∀ (i : ι), Finite (κ₂ i)
inst✝¹ : (i : ι) → DecidableEq (κ₁ i)
inst✝ : Fintype ι
b₁ : (i : ι) → Basis (κ₁ i) R ↥(N₁ i)
b₂ : (i : ι) → Basis (κ₂ i) R ↥(N₂ i)
f : M₁ →ₗ[R] M₂
hf : ∀ (i : ι), MapsTo ⇑f ↑(N₁ i) ↑(N₂ i)
i : ι
snd✝¹ : κ₂ i
j : ι
snd✝ : κ₁ j
⊢ (toMatrix (h₁.collectedBasis b₁) (h₂.collectedBasis b₂)) f ⟨i, snd✝¹⟩ ⟨j, snd✝⟩ =
    Matrix.blockDiagonal' (fun i => (toMatrix (b₁ i) (b₂ i)) (f.restrict ⋯)) ⟨i, snd✝¹⟩ ⟨j, snd✝⟩

Tactic:
simp only [toMatrix_apply, Matrix.blockDiagonal'_apply]

Result:
case a.mk.mk
ι : Type u_1
inst✝⁹ : DecidableEq ι
R : Type u_4
M₁ : Type u_5
M₂ : Type u_6
inst✝⁸ : CommSemiring R
inst✝⁷ : AddCommMonoid M₁
inst✝⁶ : Module R M₁
N₁ : ι → Submodule R M₁
h₁ : IsInternal N₁
inst✝⁵ : AddCommMonoid M₂
inst✝⁴ : Module R M₂
N₂ : ι → Submodule R M₂
h₂ : IsInternal N₂
κ₁ : ι → Type u_7
κ₂ : ι → Type u_8
inst✝³ : (i : ι) → Fintype (κ₁ i)
inst✝² : ∀ (i : ι), Finite (κ₂ i)
inst✝¹ : (i : ι) → DecidableEq (κ₁ i)
inst✝ : Fintype ι
b₁ : (i : ι) → Basis (κ₁ i) R ↥(N₁ i)
b₂ : (i : ι) → Basis (κ₂ i) R ↥(N₂ i)
f : M₁ →ₗ[R] M₂
hf : ∀ (i : ι), MapsTo ⇑f ↑(N₁ i) ↑(N₂ i)
i : ι
snd✝¹ : κ₂ i
j : ι
snd✝ : κ₁ j
⊢ ((h₂.collectedBasis b₂).repr (f ((h₁.collectedBasis b₁) ⟨j, snd✝⟩))) ⟨i, snd✝¹⟩ =
    if h : i = j then ((b₂ i).repr ((f.restrict ⋯) ((b₁ i) (cast ⋯ snd✝)))) snd✝¹ else 0

Proof state:
case a.mk.mk.inl
ι : Type u_1
inst✝⁹ : DecidableEq ι
R : Type u_4
M₁ : Type u_5
M₂ : Type u_6
inst✝⁸ : CommSemiring R
inst✝⁷ : AddCommMonoid M₁
inst✝⁶ : Module R M₁
N₁ : ι → Submodule R M₁
h₁ : IsInternal N₁
inst✝⁵ : AddCommMonoid M₂
inst✝⁴ : Module R M₂
N₂ : ι → Submodule R M₂
h₂ : IsInternal N₂
κ₁ : ι → Type u_7
κ₂ : ι → Type u_8
inst✝³ : (i : ι) → Fintype (κ₁ i)
inst✝² : ∀ (i : ι), Finite (κ₂ i)
inst✝¹ : (i : ι) → DecidableEq (κ₁ i)
inst✝ : Fintype ι
b₁ : (i : ι) → Basis (κ₁ i) R ↥(N₁ i)
b₂ : (i : ι) → Basis (κ₂ i) R ↥(N₂ i)
f : M₁ →ₗ[R] M₂
hf : ∀ (i : ι), MapsTo ⇑f ↑(N₁ i) ↑(N₂ i)
i : ι
snd✝¹ : κ₂ i
snd✝ : κ₁ i
⊢ ((h₂.collectedBasis b₂).repr (f ((h₁.collectedBasis b₁) ⟨i, snd✝⟩))) ⟨i, snd✝¹⟩ =
    if h : i = i then ((b₂ i).repr ((f.restrict ⋯) ((b₁ i) (cast ⋯ snd✝)))) snd✝¹ else 0

Tactic:
simp [h₂.collectedBasis_repr_of_mem _ (hf _ (Subtype.mem _)), restrict_apply]

Result:
no goals