-- Mathlib/LinearAlgebra/Matrix/Charpoly/LinearMap.lean
theorem Matrix.isRepresentation.toEnd_exists_mem_ideal (f : Module.End R M) (I : Ideal R)
    (hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤) :
    ∃ M, Matrix.isRepresentation.toEnd R b hb M = f ∧ ∀ i j, M.1 i j ∈ I

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
⊢ ∃ M_1, (toEnd R b hb) M_1 = f ∧ ∀ (i j : ι), ↑M_1 i j ∈ I

Tactic:
have : ∀ x, f x ∈ LinearMap.range (Ideal.finsuppTotal ι M I b) := by
  rw [Ideal.range_finsuppTotal, hb]
  exact fun x => hI (LinearMap.mem_range_self f x)

Result:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
this : ∀ (x : M), f x ∈ LinearMap.range (Ideal.finsuppTotal ι M I b)
⊢ ∃ M_1, (toEnd R b hb) M_1 = f ∧ ∀ (i j : ι), ↑M_1 i j ∈ I

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
⊢ ∃ M_1, (toEnd R b hb) M_1 = f ∧ ∀ (i j : ι), ↑M_1 i j ∈ I

Tactic:
let A : Matrix ι ι R := fun i j => bM' (b j) i

Result:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
⊢ ∃ M_1, (toEnd R b hb) M_1 = f ∧ ∀ (i j : ι), ↑M_1 i j ∈ I

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
⊢ ∃ M_1, (toEnd R b hb) M_1 = f ∧ ∀ (i j : ι), ↑M_1 i j ∈ I

Tactic:
have : A.Represents b f := by
  rw [Matrix.represents_iff']
  dsimp [A]
  intro j
  specialize hbM' (b j)
  rwa [Ideal.finsuppTotal_apply_eq_of_fintype] at hbM'

Result:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
this : Represents b A f
⊢ ∃ M_1, (toEnd R b hb) M_1 = f ∧ ∀ (i j : ι), ↑M_1 i j ∈ I

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
⊢ ∀ (j : ι), ∑ i : ι, ↑((bM' (b j)) i) • b i = f (b j)

Tactic:
intro j

Result:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
j : ι
⊢ ∑ i : ι, ↑((bM' (b j)) i) • b i = f (b j)

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
this : ∀ (x : M), f x ∈ LinearMap.range (Ideal.finsuppTotal ι M I b)
⊢ ∃ M_1, (toEnd R b hb) M_1 = f ∧ ∀ (i j : ι), ↑M_1 i j ∈ I

Tactic:
choose bM' hbM' using this

Result:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
⊢ ∃ M_1, (toEnd R b hb) M_1 = f ∧ ∀ (i j : ι), ↑M_1 i j ∈ I

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
j : ι
⊢ ∑ i : ι, ↑((bM' (b j)) i) • b i = f (b j)

Tactic:
specialize hbM' (b j)

Result:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
j : ι
hbM' : (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' (b j)) = f (b j)
⊢ ∑ i : ι, ↑((bM' (b j)) i) • b i = f (b j)

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
⊢ ∀ (x : M), f x ∈ I • ⊤

Tactic:
exact fun x => hI (LinearMap.mem_range_self f x)

Result:
no goals

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
j : ι
hbM' : (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' (b j)) = f (b j)
⊢ ∑ i : ι, ↑((bM' (b j)) i) • b i = f (b j)

Tactic:
rwa [Ideal.finsuppTotal_apply_eq_of_fintype] at hbM'

Result:
no goals

Proof state:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
⊢ ∀ (j : ι), ∑ i : ι, A i j • b i = f (b j)

Tactic:
dsimp [A]

Result:
ι : Type u_1
inst✝⁴ : Fintype ι
M : Type u_2
inst✝³ : AddCommGroup M
R : Type u_3
inst✝² : CommRing R
inst✝¹ : Module R M
b : ι → M
inst✝ : DecidableEq ι
hb : Submodule.span R (Set.range b) = ⊤
f : Module.End R M
I : Ideal R
hI : LinearMap.range f ≤ I • ⊤
bM' : M → ι →₀ ↥I
hbM' : ∀ (x : M), (Ideal.finsuppTotal ι M I b) (bM' x) = f x
A : Matrix ι ι R := fun i j => ↑((bM' (b j)) i)
⊢ ∀ (j : ι), ∑ i : ι, ↑((bM' (b j)) i) • b i = f (b j)