-- Mathlib/Algebra/Lie/Weights/Linear.lean
/-- Given a Lie module `M` of a nilpotent Lie algebra `L` with coefficients in `R`,
if a function `χ : L → R` has a simultaneous generalized eigenvector for the action of `L`
then it has a simultaneous true eigenvector, provided `M` is Noetherian and has linear weights. -/
lemma exists_forall_lie_eq_smul [LinearWeights R L M] [IsNoetherian R M] (χ : Weight R L M) :
    ∃ m : M, m ≠ 0 ∧ ∀ x : L, ⁅x, m⁆ = χ x • m

Proof state:
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
⊢ ∃ m, m ≠ 0 ∧ ∀ (x : L), ⁅x, m⁆ = χ x • m

Tactic:
obtain ⟨⟨⟨m, _⟩, hm₁⟩, hm₂⟩ :=
  @exists_ne _ (nontrivial_max_triv_of_isNilpotent R L (shiftedGenWeightSpace R L M χ)) 0

Result:
case intro.mk.mk
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
m : M
property✝ : m ∈ shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ
hm₁ : ⟨m, property✝⟩ ∈ maxTrivSubmodule R L ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
hm₂ : ⟨⟨m, property✝⟩, hm₁⟩ ≠ 0
⊢ ∃ m, m ≠ 0 ∧ ∀ (x : L), ⁅x, m⁆ = χ x • m

Proof state:
case intro.mk.mk
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
m : M
property✝ : m ∈ shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ
hm₁✝ : ⟨m, property✝⟩ ∈ maxTrivSubmodule R L ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
hm₂ : ⟨⟨m, property✝⟩, hm₁✝⟩ ≠ 0
hm₁ : ∀ (x : L), ↑⁅x, ⟨m, property✝⟩⁆ = 0
x : L
⊢ ⁅x, m⁆ = χ x • m

Tactic:
have := hm₁ x

Result:
case intro.mk.mk
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
m : M
property✝ : m ∈ shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ
hm₁✝ : ⟨m, property✝⟩ ∈ maxTrivSubmodule R L ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
hm₂ : ⟨⟨m, property✝⟩, hm₁✝⟩ ≠ 0
hm₁ : ∀ (x : L), ↑⁅x, ⟨m, property✝⟩⁆ = 0
x : L
this : ↑⁅x, ⟨m, property✝⟩⁆ = 0
⊢ ⁅x, m⁆ = χ x • m

Proof state:
case intro.mk.mk
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
m : M
property✝ : m ∈ shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ
hm₁✝ : ⟨m, property✝⟩ ∈ maxTrivSubmodule R L ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
hm₂ : ⟨⟨m, property✝⟩, hm₁✝⟩ ≠ 0
hm₁ : ∀ (x : L), ↑⁅x, ⟨m, property✝⟩⁆ = 0
⊢ ∃ m, m ≠ 0 ∧ ∀ (x : L), ⁅x, m⁆ = χ x • m

Tactic:
refine ⟨m, by simpa [LieSubmodule.mk_eq_zero] using hm₂, ?_⟩

Result:
case intro.mk.mk
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
m : M
property✝ : m ∈ shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ
hm₁✝ : ⟨m, property✝⟩ ∈ maxTrivSubmodule R L ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
hm₂ : ⟨⟨m, property✝⟩, hm₁✝⟩ ≠ 0
hm₁ : ∀ (x : L), ↑⁅x, ⟨m, property✝⟩⁆ = 0
⊢ ∀ (x : L), ⁅x, m⁆ = χ x • m

Proof state:
case intro.mk.mk
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
m : M
property✝ : m ∈ shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ
hm₁ : ⟨m, property✝⟩ ∈ maxTrivSubmodule R L ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
hm₂ : ⟨⟨m, property✝⟩, hm₁⟩ ≠ 0
⊢ ∃ m, m ≠ 0 ∧ ∀ (x : L), ⁅x, m⁆ = χ x • m

Tactic:
simp_rw [mem_maxTrivSubmodule, Subtype.ext_iff,
  ZeroMemClass.coe_zero] at hm₁

Result:
case intro.mk.mk
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
m : M
property✝ : m ∈ shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ
hm₁✝ : ⟨m, property✝⟩ ∈ maxTrivSubmodule R L ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
hm₂ : ⟨⟨m, property✝⟩, hm₁✝⟩ ≠ 0
hm₁ : ∀ (x : L), ↑⁅x, ⟨m, property✝⟩⁆ = 0
⊢ ∃ m, m ≠ 0 ∧ ∀ (x : L), ⁅x, m⁆ = χ x • m

Proof state:
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
m : M
property✝ : m ∈ shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ
hm₁✝ : ⟨m, property✝⟩ ∈ maxTrivSubmodule R L ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
hm₂ : ⟨⟨m, property✝⟩, hm₁✝⟩ ≠ 0
hm₁ : ∀ (x : L), ↑⁅x, ⟨m, property✝⟩⁆ = 0
⊢ m ≠ 0

Tactic:
simpa [LieSubmodule.mk_eq_zero] using hm₂

Result:
no goals

Proof state:
case intro.mk.mk
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
m : M
property✝ : m ∈ shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ
hm₁✝ : ⟨m, property✝⟩ ∈ maxTrivSubmodule R L ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
hm₂ : ⟨⟨m, property✝⟩, hm₁✝⟩ ≠ 0
hm₁ : ∀ (x : L), ↑⁅x, ⟨m, property✝⟩⁆ = 0
x : L
this : ↑⁅x, ⟨m, property✝⟩⁆ = 0
⊢ ⁅x, m⁆ = χ x • m

Tactic:
rwa [coe_lie_shiftedGenWeightSpace_apply, sub_eq_zero] at this

Result:
no goals

Proof state:
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
⊢ ∃ m, m ≠ 0 ∧ ∀ (x : L), ⁅x, m⁆ = χ x • m

Tactic:
replace hχ : Nontrivial (shiftedGenWeightSpace R L M χ) :=
  (LieSubmodule.nontrivial_iff_ne_bot R L M).mpr χ.genWeightSpace_ne_bot

Result:
R : Type u_2
L : Type u_3
M : Type u_4
inst✝⁹ : CommRing R
inst✝⁸ : LieRing L
inst✝⁷ : LieAlgebra R L
inst✝⁶ : AddCommGroup M
inst✝⁵ : Module R M
inst✝⁴ : LieRingModule L M
inst✝³ : LieModule R L M
inst✝² : LieRing.IsNilpotent L
inst✝¹ : LinearWeights R L M
inst✝ : IsNoetherian R M
χ : Weight R L M
hχ : Nontrivial ↥(shiftedGenWeightSpace R L M ⇑χ)
⊢ ∃ m, m ≠ 0 ∧ ∀ (x : L), ⁅x, m⁆ = χ x • m