-- Mathlib/Algebra/Lie/Engel.lean
theorem lie_top_eq_of_span_sup_eq_top (N : LieSubmodule R L M) :
    (↑⁅(⊤ : LieIdeal R L), N⁆ : Submodule R M) =
      (N : Submodule R M).map (toEnd R L M x) ⊔ (↑⁅I, N⁆ : Submodule R M)

Proof state:
case refine_2
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
z : M
hz : z ∈ (fun a => ⁅x, a⁆) '' ↑↑N ∪ {x | ∃ x_1 ∈ I, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}
⊢ z ∈ {x | ∃ x_1, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}

Tactic:
rcases hz with (⟨m, hm, rfl⟩ | ⟨y, -, m, hm, rfl⟩)

Result:
case refine_2.inl.intro.intro
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
m : M
hm : m ∈ ↑↑N
⊢ (fun a => ⁅x, a⁆) m ∈ {x | ∃ x_1, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}

case refine_2.inr.intro.intro.intro.intro
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
y : L
m : M
hm : m ∈ N
⊢ ⁅y, m⁆ ∈ {x | ∃ x_1, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}

Proof state:
case refine_1
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
⊢ {x | ∃ x_1, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x} ⊆
    ↑(Submodule.span R ((fun a => ⁅x, a⁆) '' ↑↑N ∪ {x | ∃ x_1 ∈ I, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}))

Tactic:
rintro z ⟨y, n, hn : n ∈ N, rfl⟩

Result:
case refine_1.intro.intro.intro
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
y : L
n : M
hn : n ∈ N
⊢ ⁅y, n⁆ ∈ ↑(Submodule.span R ((fun a => ⁅x, a⁆) '' ↑↑N ∪ {x | ∃ x_1 ∈ I, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}))

Proof state:
case refine_1.intro.intro.intro.intro.intro.intro
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
n : M
hn : n ∈ N
t : R
z : L
hz : z ∈ I
⊢ ⁅t • x + z, n⁆ ∈ ↑(Submodule.span R ((fun a => ⁅x, a⁆) '' ↑↑N ∪ {x | ∃ x_1 ∈ I, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}))

Tactic:
simp only [SetLike.mem_coe, Submodule.span_union, Submodule.mem_sup]

Result:
case refine_1.intro.intro.intro.intro.intro.intro
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
n : M
hn : n ∈ N
t : R
z : L
hz : z ∈ I
⊢ ∃ y ∈ Submodule.span R ((fun a => ⁅x, a⁆) '' ↑↑N),
    ∃ z_1 ∈ Submodule.span R {x | ∃ x_1 ∈ I, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}, y + z_1 = ⁅t • x + z, n⁆

Proof state:
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
⊢ ↑⁅⊤, N⁆ = Submodule.map ((toEnd R L M) x) ↑N ⊔ ↑⁅I, N⁆

Tactic:
simp only [lieIdeal_oper_eq_linear_span', Submodule.sup_span, mem_top, exists_prop,
  true_and, Submodule.map_coe, toEnd_apply_apply]

Result:
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
⊢ Submodule.span R {x | ∃ x_1, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x} =
    Submodule.span R ((fun a => ⁅x, a⁆) '' ↑↑N ∪ {x | ∃ x_1 ∈ I, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x})

Proof state:
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
n : M
hn : n ∈ N
t : R
z : L
hz : z ∈ I
⊢ t • ⁅x, n⁆ + ⁅z, n⁆ = ⁅t • x + z, n⁆

Tactic:
simp

Result:
no goals

Proof state:
case refine_1.intro.intro.intro
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
y : L
n : M
hn : n ∈ N
⊢ ⁅y, n⁆ ∈ ↑(Submodule.span R ((fun a => ⁅x, a⁆) '' ↑↑N ∪ {x | ∃ x_1 ∈ I, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}))

Tactic:
obtain ⟨t, z, hz, rfl⟩ := exists_smul_add_of_span_sup_eq_top hxI y

Result:
case refine_1.intro.intro.intro.intro.intro.intro
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
n : M
hn : n ∈ N
t : R
z : L
hz : z ∈ I
⊢ ⁅t • x + z, n⁆ ∈ ↑(Submodule.span R ((fun a => ⁅x, a⁆) '' ↑↑N ∪ {x | ∃ x_1 ∈ I, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}))

Proof state:
case refine_2.inl.intro.intro
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
m : M
hm : m ∈ ↑↑N
⊢ (fun a => ⁅x, a⁆) m ∈ {x | ∃ x_1, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}

case refine_2.inr.intro.intro.intro.intro
R : Type u₁
L : Type u₂
M : Type u₄
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : LieRing L
inst✝⁴ : LieAlgebra R L
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
inst✝¹ : LieRingModule L M
inst✝ : LieModule R L M
I : LieIdeal R L
x : L
hxI : Submodule.span R {x} ⊔ (LieIdeal.toLieSubalgebra R L I).toSubmodule = ⊤
N : LieSubmodule R L M
y : L
m : M
hm : m ∈ N
⊢ ⁅y, m⁆ ∈ {x | ∃ x_1, ∃ n ∈ N, ⁅x_1, n⁆ = x}

Tactic:
exacts [⟨x, m, hm, rfl⟩, ⟨y, m, hm, rfl⟩]

Result:
no goals