-- Mathlib/LinearAlgebra/Eigenspace/Zero.lean
lemma charpoly_nilpotent_tfae [IsNoetherian R M] (φ : Module.End R M) :
    List.TFAE [
      IsNilpotent φ,
      φ.charpoly = X ^ finrank R M,
      ∀ m : M, ∃ (n : ℕ), (φ ^ n) m = 0,
      natTrailingDegree φ.charpoly = finrank R M ]

Proof state:
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
tfae_3_to_1 : (∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0) → IsNilpotent φ
⊢ [IsNilpotent φ, charpoly φ = X ^ finrank R M, ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0,
      (charpoly φ).natTrailingDegree = finrank R M].TFAE

Tactic:
tfae_have 2 ↔ 4 := by
  rw [← φ.charpoly_natDegree, φ.charpoly_monic.eq_X_pow_iff_natTrailingDegree_eq_natDegree]

Result:
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
tfae_3_to_1 : (∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0) → IsNilpotent φ
tfae_2_iff_4 : charpoly φ = X ^ finrank R M ↔ (charpoly φ).natTrailingDegree = finrank R M
⊢ [IsNilpotent φ, charpoly φ = X ^ finrank R M, ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0,
      (charpoly φ).natTrailingDegree = finrank R M].TFAE

Proof state:
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
h : charpoly φ = X ^ finrank R M
m : M
⊢ ∃ n, (φ ^ n) m = 0

Tactic:
use finrank R M

Result:
case h
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
h : charpoly φ = X ^ finrank R M
m : M
⊢ (φ ^ finrank R M) m = 0

Proof state:
case h
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
h : charpoly φ = X ^ finrank R M
m : M
⊢ (φ ^ finrank R M) m = 0

Tactic:
suffices φ ^ finrank R M = 0 by simp only [this, LinearMap.zero_apply]

Result:
case h
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
h : charpoly φ = X ^ finrank R M
m : M
⊢ φ ^ finrank R M = 0

Proof state:
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
tfae_3_to_1 : (∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0) → IsNilpotent φ
tfae_2_iff_4 : charpoly φ = X ^ finrank R M ↔ (charpoly φ).natTrailingDegree = finrank R M
⊢ [IsNilpotent φ, charpoly φ = X ^ finrank R M, ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0,
      (charpoly φ).natTrailingDegree = finrank R M].TFAE

Tactic:
tfae_finish

Result:
no goals

Proof state:
case h.h
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
x✝ : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
h : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0 := x✝
n : ℕ
hn : ∀ b ≥ n, ⨆ m, ker (φ ^ m) = ker (φ ^ b)
x : M
⊢ (φ ^ n) x = 0 x

Tactic:
rw [zero_apply, ← mem_ker, ← hn n le_rfl]

Result:
case h.h
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
x✝ : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
h : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0 := x✝
n : ℕ
hn : ∀ b ≥ n, ⨆ m, ker (φ ^ m) = ker (φ ^ b)
x : M
⊢ x ∈ ⨆ m, ker (φ ^ m)

Proof state:
case h.h
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
x✝ : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
h : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0 := x✝
n : ℕ
hn : ∀ b ≥ n, ⨆ m, ker (φ ^ m) = ker (φ ^ b)
x : M
⊢ x ∈ ⨆ m, ker (φ ^ m)

Tactic:
obtain ⟨k, hk⟩ := h x

Result:
case h.h.intro
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
x✝ : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
h : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0 := x✝
n : ℕ
hn : ∀ b ≥ n, ⨆ m, ker (φ ^ m) = ker (φ ^ b)
x : M
k : ℕ
hk : (φ ^ k) x = 0
⊢ x ∈ ⨆ m, ker (φ ^ m)

Proof state:
case h
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
x✝ : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
h : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0 := x✝
n : ℕ
hn : ∀ b ≥ n, ⨆ m, ker (φ ^ m) = ker (φ ^ b)
⊢ φ ^ n = 0

Tactic:
ext x

Result:
case h.h
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
x✝ : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
h : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0 := x✝
n : ℕ
hn : ∀ b ≥ n, ⨆ m, ker (φ ^ m) = ker (φ ^ b)
x : M
⊢ (φ ^ n) x = 0 x

Proof state:
case h.h.intro
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
x✝ : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
h : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0 := x✝
n : ℕ
hn : ∀ b ≥ n, ⨆ m, ker (φ ^ m) = ker (φ ^ b)
x : M
k : ℕ
hk : (φ ^ k) x = 0
⊢ x ∈ ⨆ m, ker (φ ^ m)

Tactic:
rw [← mem_ker] at hk

Result:
case h.h.intro
R : Type u_1
M : Type u_3
inst✝⁶ : CommRing R
inst✝⁵ : IsDomain R
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : Module.Finite R M
inst✝¹ : Free R M
inst✝ : IsNoetherian R M
φ : End R M
tfae_1_to_2 : IsNilpotent φ → charpoly φ = X ^ finrank R M
tfae_2_to_3 : charpoly φ = X ^ finrank R M → ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
x✝ : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0
h : ∀ (m : M), ∃ n, (φ ^ n) m = 0 := x✝
n : ℕ
hn : ∀ b ≥ n, ⨆ m, ker (φ ^ m) = ker (φ ^ b)
x : M
k : ℕ
hk : x ∈ ker (φ ^ k)
⊢ x ∈ ⨆ m, ker (φ ^ m)