-- Mathlib/LinearAlgebra/Matrix/Transvection.lean
theorem exists_isTwoBlockDiagonal_list_transvec_mul_mul_list_transvec
    (M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜) :
    ∃ L L' : List (TransvectionStruct (Fin r ⊕ Unit) 𝕜),
      IsTwoBlockDiagonal ((L.map toMatrix).prod * M * (L'.map toMatrix).prod)

Proof state:
case neg.intro.inl.intro.intro
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
i : Fin r
h : M (inl i) (inr ()) ≠ 0
M' : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜 := transvection (inr ()) (inl i) 1 * M
hM' : M' (inr ()) (inr ()) ≠ 0
L L' : List (TransvectionStruct (Fin r ⊕ Unit) 𝕜)
hLL' : ((List.map toMatrix L).prod * (M' * (List.map toMatrix L').prod)).IsTwoBlockDiagonal
⊢ ((List.map toMatrix (L ++ [{ i := inr (), j := inl i, hij := ⋯, c := 1 }])).prod * M *
      (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal

Tactic:
simp only [List.map_append, List.prod_append, Matrix.mul_one, toMatrix_mk, List.prod_cons,
  List.prod_nil, List.map, Matrix.mul_assoc (L.map toMatrix).prod]

Result:
case neg.intro.inl.intro.intro
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
i : Fin r
h : M (inl i) (inr ()) ≠ 0
M' : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜 := transvection (inr ()) (inl i) 1 * M
hM' : M' (inr ()) (inr ()) ≠ 0
L L' : List (TransvectionStruct (Fin r ⊕ Unit) 𝕜)
hLL' : ((List.map toMatrix L).prod * (M' * (List.map toMatrix L').prod)).IsTwoBlockDiagonal
⊢ ((List.map toMatrix L).prod * (transvection (inr ()) (inl i) 1 * M * (List.map toMatrix L').prod)).IsTwoBlockDiagonal

Proof state:
case neg
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
this : ∃ i, M (inl i) (inr ()) ≠ 0 ∨ M (inr ()) (inl i) ≠ 0
⊢ ∃ L L', ((List.map toMatrix L).prod * M * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal

Tactic:
rcases this with ⟨i, h | h⟩

Result:
case neg.intro.inl
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
i : Fin r
h : M (inl i) (inr ()) ≠ 0
⊢ ∃ L L', ((List.map toMatrix L).prod * M * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal

case neg.intro.inr
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
i : Fin r
h : M (inr ()) (inl i) ≠ 0
⊢ ∃ L L', ((List.map toMatrix L).prod * M * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal

Proof state:
case neg.intro.inr.intro.intro
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
i : Fin r
h : M (inr ()) (inl i) ≠ 0
M' : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜 := M * transvection (inl i) (inr ()) 1
hM' : M' (inr ()) (inr ()) ≠ 0
L L' : List (TransvectionStruct (Fin r ⊕ Unit) 𝕜)
hLL' : ((List.map toMatrix L).prod * M' * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal
⊢ ((List.map toMatrix L).prod * (M * transvection (inl i) (inr ()) 1) * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal

Tactic:
exact hLL'

Result:
no goals

Proof state:
case neg.intro.inr.intro.intro
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
i : Fin r
h : M (inr ()) (inl i) ≠ 0
M' : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜 := M * transvection (inl i) (inr ()) 1
hM' : M' (inr ()) (inr ()) ≠ 0
L L' : List (TransvectionStruct (Fin r ⊕ Unit) 𝕜)
hLL' : ((List.map toMatrix L).prod * M' * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal
⊢ ((List.map toMatrix L).prod * M * transvection (inl i) (inr ()) 1 * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal

Tactic:
rw [Matrix.mul_assoc (L.map toMatrix).prod]

Result:
case neg.intro.inr.intro.intro
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
i : Fin r
h : M (inr ()) (inl i) ≠ 0
M' : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜 := M * transvection (inl i) (inr ()) 1
hM' : M' (inr ()) (inr ()) ≠ 0
L L' : List (TransvectionStruct (Fin r ⊕ Unit) 𝕜)
hLL' : ((List.map toMatrix L).prod * M' * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal
⊢ ((List.map toMatrix L).prod * (M * transvection (inl i) (inr ()) 1) * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal

Proof state:
case neg.intro.inl
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
i : Fin r
h : M (inl i) (inr ()) ≠ 0
M' : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜 := transvection (inr ()) (inl i) 1 * M
hM' : M' (inr ()) (inr ()) ≠ 0
⊢ ∃ L L', ((List.map toMatrix L).prod * M * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal

Tactic:
rcases exists_isTwoBlockDiagonal_of_ne_zero M' hM' with ⟨L, L', hLL'⟩

Result:
case neg.intro.inl.intro.intro
𝕜 : Type u_3
inst✝ : Field 𝕜
r : ℕ
M : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜
hM : M (inr ()) (inr ()) = 0
H :
  (¬∀ (i : Fin r) (j : Unit), of (fun i j => M (inl i) (inr j)) i j = 0 i j) ∨
    ¬∀ (i : Unit) (j : Fin r), of (fun i j => M (inr i) (inl j)) i j = 0 i j
i : Fin r
h : M (inl i) (inr ()) ≠ 0
M' : Matrix (Fin r ⊕ Unit) (Fin r ⊕ Unit) 𝕜 := transvection (inr ()) (inl i) 1 * M
hM' : M' (inr ()) (inr ()) ≠ 0
L L' : List (TransvectionStruct (Fin r ⊕ Unit) 𝕜)
hLL' : ((List.map toMatrix L).prod * M' * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal
⊢ ∃ L L', ((List.map toMatrix L).prod * M * (List.map toMatrix L').prod).IsTwoBlockDiagonal