-- Mathlib/Algebra/Lie/EngelSubalgebra.lean
/-- A Lie subalgebra of a Noetherian Lie algebra is nilpotent
if it is contained in the Engel subalgebra of all its elements. -/
lemma isNilpotent_of_forall_le_engel [IsNoetherian R L]
    (H : LieSubalgebra R L) (h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x) :
    LieRing.IsNilpotent H

Proof state:
case h.h.a.intro.inr
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
n : ℕ
hn : ∀ (m : ℕ), n ≤ m → K n = K m
y : ↥H
m : ℕ
hm : ((ad R L) ↑x ^ m) ↑y = 0
hmn : n ≤ m
this : ∀ (k : ℕ), ((ad R L) ↑x ^ k) ↑y = 0 ↔ y ∈ K k
⊢ ((ad R L) ↑x ^ n) ↑y = ↑(0 y)

Tactic:
rwa [this, ← hn m hmn, ← this] at hm

Result:
no goals

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
⊢ _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

Tactic:
obtain ⟨n, hn⟩ := monotone_stabilizes_iff_noetherian.mpr inferInstance K

Result:
case intro
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
n : ℕ
hn : ∀ (m : ℕ), n ≤ m → K n = K m
⊢ _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
⊢ LieRing.IsNilpotent ↥H

Tactic:
rw [LieAlgebra.isNilpotent_iff_forall (R := R)]

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
⊢ ∀ (x : ↥H), _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
⊢ _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

case mono
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
m n : ℕ
hmn : m ≤ n
⊢ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) m ≤ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) n

Tactic:
case mono =>
  intro y hy
  rw [LinearMap.mem_ker] at hy ⊢
  exact LinearMap.pow_map_zero_of_le hmn hy

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
⊢ _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
⊢ ∀ (x : ↥H), _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

Tactic:
intro x

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
⊢ _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

Proof state:
case intro
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
n : ℕ
hn : ∀ (m : ℕ), n ≤ m → K n = K m
⊢ _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

Tactic:
use n

Result:
case h
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
n : ℕ
hn : ∀ (m : ℕ), n ≤ m → K n = K m
⊢ (ad R ↥H) x ^ n = 0

Proof state:
case h.h.a
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
n : ℕ
hn : ∀ (m : ℕ), n ≤ m → K n = K m
y : ↥H
⊢ ↑(((ad R ↥H) x ^ n) y) = ↑(0 y)

Tactic:
rw [coe_ad_pow]

Result:
case h.h.a
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
n : ℕ
hn : ∀ (m : ℕ), n ≤ m → K n = K m
y : ↥H
⊢ ((ad R L) ↑x ^ n) ↑y = ↑(0 y)

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
⊢ _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

Tactic:
let K : ℕ →o Submodule R H :=
  ⟨fun n ↦ LinearMap.ker ((ad R H x) ^ n), fun m n hmn ↦ ?mono⟩

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
⊢ _root_.IsNilpotent ((ad R ↥H) x)

case mono
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
m n : ℕ
hmn : m ≤ n
⊢ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) m ≤ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) n

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
m n : ℕ
hmn : m ≤ n
y : ↥H
hy : y ∈ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) m
⊢ y ∈ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) n

Tactic:
rw [LinearMap.mem_ker] at hy ⊢

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
m n : ℕ
hmn : m ≤ n
y : ↥H
hy : ((ad R ↥H) x ^ m) y = 0
⊢ ((ad R ↥H) x ^ n) y = 0

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
m n : ℕ
hmn : m ≤ n
⊢ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) m ≤ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) n

Tactic:
intro y hy

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
m n : ℕ
hmn : m ≤ n
y : ↥H
hy : y ∈ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) m
⊢ y ∈ (fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n)) n

Proof state:
case h
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
n : ℕ
hn : ∀ (m : ℕ), n ≤ m → K n = K m
⊢ (ad R ↥H) x ^ n = 0

Tactic:
ext y

Result:
case h.h.a
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsNoetherian R L
H : LieSubalgebra R L
h : ∀ x ∈ H, H ≤ engel R x
x : ↥H
K : ℕ →o Submodule R ↥H := { toFun := fun n => LinearMap.ker ((ad R ↥H) x ^ n), monotone' := ⋯ }
n : ℕ
hn : ∀ (m : ℕ), n ≤ m → K n = K m
y : ↥H
⊢ ↑(((ad R ↥H) x ^ n) y) = ↑(0 y)