-- Mathlib/Algebra/Lie/Engel.lean
theorem lcs_le_lcs_of_is_nilpotent_span_sup_eq_top {n i j : ℕ}
    (hxn : toEnd R L M x ^ n = 0) (hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j) :
    lowerCentralSeries R L M (i + n) ≤ I.lcs M (j + 1)

Proof state:
case succ.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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
l : ℕ
ih : ↑(⊤.lcs M (i + l)) ≤ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ l) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))
⊢ Submodule.map ((toEnd R L M) x) (Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ l) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))) ≤
    Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ (l + 1)) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑⁅I, I.lcs M j⁆

Tactic:
rw [Submodule.map_sup, ← Submodule.map_comp, ← LinearMap.mul_eq_comp, ← pow_succ', ←
  I.lcs_succ]

Result:
case succ.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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
l : ℕ
ih : ↑(⊤.lcs M (i + l)) ≤ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ l) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))
⊢ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ (l + 1)) ↑(I.lcs M j) ⊔ Submodule.map ((toEnd R L M) x) ↑(I.lcs M (j + 1)) ≤
    Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ (l + 1)) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))

Proof state:
case zero
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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
⊢ ↑(⊤.lcs M (i + 0)) ≤ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ 0) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))

Tactic:
simp only [add_zero, LieIdeal.lcs_succ, pow_zero, LinearMap.one_eq_id,
  Submodule.map_id]

Result:
case zero
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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
⊢ ↑(⊤.lcs M i) ≤ ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑⁅I, I.lcs M j⁆

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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
⊢ lowerCentralSeries R L M (i + n) ≤ I.lcs M (j + 1)

Tactic:
suffices
  ∀ l,
    ((⊤ : LieIdeal R L).lcs M (i + l) : Submodule R M) ≤
      (I.lcs M j : Submodule R M).map (toEnd R L M x ^ l) ⊔
        (I.lcs M (j + 1) : Submodule R M)
  by simpa only [bot_sup_eq, LieIdeal.incl_coe, Submodule.map_zero, hxn] using this n

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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
⊢ ∀ (l : ℕ), ↑(⊤.lcs M (i + l)) ≤ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ l) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))

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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
this : ∀ (l : ℕ), ↑(⊤.lcs M (i + l)) ≤ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ l) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))
⊢ lowerCentralSeries R L M (i + n) ≤ I.lcs M (j + 1)

Tactic:
simpa only [bot_sup_eq, LieIdeal.incl_coe, Submodule.map_zero, hxn] using this n

Result:
no goals

Proof state:
case succ.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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
l : ℕ
ih : ↑(⊤.lcs M (i + l)) ≤ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ l) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))
⊢ ↑⁅I, ⊤.lcs M (i + l)⁆ ≤ ↑⁅I, I.lcs M j⁆

Tactic:
refine le_trans (mono_lie_right I ?_) (mono_lie_right I hIM)

Result:
case succ.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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
l : ℕ
ih : ↑(⊤.lcs M (i + l)) ≤ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ l) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))
⊢ ⊤.lcs M (i + l) ≤ lowerCentralSeries R L M i

Proof state:
case succ.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 i j : ℕ
hxn : (toEnd R L M) x ^ n = 0
hIM : lowerCentralSeries R L M i ≤ I.lcs M j
l : ℕ
ih : ↑(⊤.lcs M (i + l)) ≤ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ l) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))
⊢ Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ (l + 1)) ↑(I.lcs M j) ⊔ Submodule.map ((toEnd R L M) x) ↑(I.lcs M (j + 1)) ≤
    Submodule.map ((toEnd R L M) x ^ (l + 1)) ↑(I.lcs M j) ⊔ ↑(I.lcs M (j + 1))

Tactic:
exact sup_le_sup_left coe_map_toEnd_le _

Result:
no goals