-- Mathlib/GroupTheory/Perm/Closure.lean
theorem closure_cycle_adjacent_swap {σ : Perm α} (h1 : IsCycle σ) (h2 : σ.support = univ) (x : α) :
    closure ({σ, swap x (σ x)} : Set (Perm α)) = ⊤

Proof state:
case intro.intro.intro
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
step3 : ∀ (y : α), swap x y ∈ H
step4 : ∀ (y z : α), swap y z ∈ H
τ : Perm α
y z : α
left✝ : y ≠ z
h6 : τ = swap y z
⊢ swap y z ∈ ↑(closure {σ, swap x (σ x)})

Tactic:
exact step4 y z

Result:
no goals

Proof state:
case zero
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
⊢ swap ((σ ^ 0) x) ((σ ^ (0 + 1)) x) ∈ H

Tactic:
exact subset_closure (Set.mem_insert_of_mem _ (Set.mem_singleton _))

Result:
no goals

Proof state:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
y : α
hx : x ∈ univ
⊢ swap x y ∈ H

Tactic:
rw [← h2, mem_support] at hx

Result:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
y : α
hx : σ x ≠ x
⊢ swap x y ∈ H

Proof state:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
y : α
⊢ swap x y ∈ H

Tactic:
have hx : x ∈ univ := Finset.mem_univ x

Result:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
y : α
hx : x ∈ univ
⊢ swap x y ∈ H

Proof state:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
⊢ closure {σ, swap x (σ x)} = ⊤

Tactic:
have step1 : ∀ n : ℕ, swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1) : Perm α) x) ∈ H := by
  intro n
  induction n with
  | zero => exact subset_closure (Set.mem_insert_of_mem _ (Set.mem_singleton _))
  | succ n ih =>
    convert H.mul_mem (H.mul_mem h3 ih) (H.inv_mem h3)
    simp_rw [mul_swap_eq_swap_mul, mul_inv_cancel_right, pow_succ', coe_mul, comp_apply]

Result:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
⊢ closure {σ, swap x (σ x)} = ⊤

Proof state:
case intro
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
y : α
hx : σ x ≠ x
hy : σ y ≠ y
n : ℕ
hn : (σ ^ n) x = y
⊢ swap x ((σ ^ n) x) ∈ H

Tactic:
exact step2 n

Result:
no goals

Proof state:
case neg
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
n : ℕ
ih : swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
h5 : ¬x = (σ ^ n) x
⊢ swap x ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H

Tactic:
by_cases h6 : x = (σ ^ (n + 1) : Perm α) x

Result:
case pos
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
n : ℕ
ih : swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
h5 : ¬x = (σ ^ n) x
h6 : x = (σ ^ (n + 1)) x
⊢ swap x ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H

case neg
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
n : ℕ
ih : swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
h5 : ¬x = (σ ^ n) x
h6 : ¬x = (σ ^ (n + 1)) x
⊢ swap x ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H

Proof state:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
⊢ closure {σ, swap x (σ x)} = ⊤

Tactic:
have h3 : σ ∈ H := subset_closure (Set.mem_insert σ _)

Result:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
⊢ closure {σ, swap x (σ x)} = ⊤

Proof state:
case intro
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
y : α
hx : σ x ≠ x
hy : σ y ≠ y
n : ℕ
hn : (σ ^ n) x = y
⊢ swap x y ∈ H

Tactic:
rw [← hn]

Result:
case intro
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
y : α
hx : σ x ≠ x
hy : σ y ≠ y
n : ℕ
hn : (σ ^ n) x = y
⊢ swap x ((σ ^ n) x) ∈ H

Proof state:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
step3 : ∀ (y : α), swap x y ∈ H
step4 : ∀ (y z : α), swap y z ∈ H
⊢ closure {σ, swap x (σ x)} = ⊤

Tactic:
rw [eq_top_iff, ← closure_isSwap, closure_le]

Result:
α : Type u_2
inst✝¹ : DecidableEq α
inst✝ : Fintype α
σ : Perm α
h1 : σ.IsCycle
h2 : σ.support = univ
x : α
H : Subgroup (Perm α) := closure {σ, swap x (σ x)}
h3 : σ ∈ H
h4 : swap x (σ x) ∈ H
step1 : ∀ (n : ℕ), swap ((σ ^ n) x) ((σ ^ (n + 1)) x) ∈ H
step2 : ∀ (n : ℕ), swap x ((σ ^ n) x) ∈ H
step3 : ∀ (y : α), swap x y ∈ H
step4 : ∀ (y z : α), swap y z ∈ H
⊢ {σ | σ.IsSwap} ⊆ ↑(closure {σ, swap x (σ x)})