-- Mathlib/Algebra/Module/FinitePresentation.lean
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Let `M` be a finite `R`-module, and `N` be a finitely presented `R`-module.
If `l : M →ₗ[R] N` is a linear map whose localization at `S : Submonoid R` is bijective,
then `l` is already bijective under the localization at some `r ∈ S`.
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lemma exists_bijective_map_powers [Module.Finite R M] [Module.FinitePresentation R N]
    (l : M →ₗ[R] N) (hf : Function.Bijective (IsLocalizedModule.map S f g l)) :
    ∃ r, r ∈ S ∧ ∀ t, r ∣ t → Function.Bijective (LocalizedModule.map (.powers t) l)

Proof state:
case a.a.a.h.h
R : Type u_3
M : Type u_4
N : Type u_5
inst✝¹² : CommRing R
inst✝¹¹ : AddCommGroup M
inst✝¹⁰ : Module R M
inst✝⁹ : AddCommGroup N
inst✝⁸ : Module R N
S : Submonoid R
M' : Type u_1
inst✝⁷ : AddCommGroup M'
inst✝⁶ : Module R M'
f : M →ₗ[R] M'
inst✝⁵ : IsLocalizedModule S f
N' : Type u_2
inst✝⁴ : AddCommGroup N'
inst✝³ : Module R N'
g : N →ₗ[R] N'
inst✝² : IsLocalizedModule S g
inst✝¹ : Module.Finite R M
inst✝ : Module.FinitePresentation R N
l : M →ₗ[R] N
hf : Function.Bijective ⇑((IsLocalizedModule.map S f g) l)
e : M' ≃ₗ[R] N' := LinearEquiv.ofBijective ((IsLocalizedModule.map S f g) l) hf
l' : N →ₗ[R] M
s₀ : ↥S
H : f ∘ₗ l' = s₀ • ↑e.symm ∘ₗ g
H₁ : g ∘ₗ l ∘ₗ l' = g ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₁ : ↥S
hs₁ : s₁ • l ∘ₗ l' = s₁ • s₀ • LinearMap.id
H₂ : f ∘ₗ l' ∘ₗ l = f ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₂ : ↥S
hs₂ : s₂ • l' ∘ₗ l = s₂ • s₀ • LinearMap.id
t : R
ht : ↑s₀ * ↑s₁ * ↑s₂ ∣ t
Rₛ : Type u_3 := Localization (Submonoid.powers t)
lₛ : LocalizedModule (Submonoid.powers t) M →ₗ[Localization (Submonoid.powers t)]
  LocalizedModule (Submonoid.powers t) N :=
  (LocalizedModule.map (Submonoid.powers t)) l
hu₀ : IsUnit ((algebraMap R Rₛ) ↑s₀)
hu₁ : IsUnit ((algebraMap R Rₛ) ↑s₁)
hu₂ : IsUnit ((algebraMap R Rₛ) ↑s₂)
lₛ' : LocalizedModule (Submonoid.powers t) N →ₗ[Localization (Submonoid.powers t)]
  LocalizedModule (Submonoid.powers t) M :=
  (LocalizedModule.map (Submonoid.powers t)) l'
H_left : (↑hu₀.unit⁻¹ • lₛ') ∘ₗ lₛ = LinearMap.id
x : N
⊢ (↑R (↑s₁ • lₛ ∘ₗ lₛ') ∘ₗ LocalizedModule.mkLinearMap (Submonoid.powers t) N) x =
    (↑R (↑s₁ • ↑s₀ • LinearMap.id) ∘ₗ LocalizedModule.mkLinearMap (Submonoid.powers t) N) x

Tactic:
have : s₁.1 • l (l' x) = s₁.1 • s₀.1 • x := congr($hs₁ x)

Result:
case a.a.a.h.h
R : Type u_3
M : Type u_4
N : Type u_5
inst✝¹² : CommRing R
inst✝¹¹ : AddCommGroup M
inst✝¹⁰ : Module R M
inst✝⁹ : AddCommGroup N
inst✝⁸ : Module R N
S : Submonoid R
M' : Type u_1
inst✝⁷ : AddCommGroup M'
inst✝⁶ : Module R M'
f : M →ₗ[R] M'
inst✝⁵ : IsLocalizedModule S f
N' : Type u_2
inst✝⁴ : AddCommGroup N'
inst✝³ : Module R N'
g : N →ₗ[R] N'
inst✝² : IsLocalizedModule S g
inst✝¹ : Module.Finite R M
inst✝ : Module.FinitePresentation R N
l : M →ₗ[R] N
hf : Function.Bijective ⇑((IsLocalizedModule.map S f g) l)
e : M' ≃ₗ[R] N' := LinearEquiv.ofBijective ((IsLocalizedModule.map S f g) l) hf
l' : N →ₗ[R] M
s₀ : ↥S
H : f ∘ₗ l' = s₀ • ↑e.symm ∘ₗ g
H₁ : g ∘ₗ l ∘ₗ l' = g ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₁ : ↥S
hs₁ : s₁ • l ∘ₗ l' = s₁ • s₀ • LinearMap.id
H₂ : f ∘ₗ l' ∘ₗ l = f ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₂ : ↥S
hs₂ : s₂ • l' ∘ₗ l = s₂ • s₀ • LinearMap.id
t : R
ht : ↑s₀ * ↑s₁ * ↑s₂ ∣ t
Rₛ : Type u_3 := Localization (Submonoid.powers t)
lₛ : LocalizedModule (Submonoid.powers t) M →ₗ[Localization (Submonoid.powers t)]
  LocalizedModule (Submonoid.powers t) N :=
  (LocalizedModule.map (Submonoid.powers t)) l
hu₀ : IsUnit ((algebraMap R Rₛ) ↑s₀)
hu₁ : IsUnit ((algebraMap R Rₛ) ↑s₁)
hu₂ : IsUnit ((algebraMap R Rₛ) ↑s₂)
lₛ' : LocalizedModule (Submonoid.powers t) N →ₗ[Localization (Submonoid.powers t)]
  LocalizedModule (Submonoid.powers t) M :=
  (LocalizedModule.map (Submonoid.powers t)) l'
H_left : (↑hu₀.unit⁻¹ • lₛ') ∘ₗ lₛ = LinearMap.id
x : N
this : ↑s₁ • l (l' x) = ↑s₁ • ↑s₀ • x
⊢ (↑R (↑s₁ • lₛ ∘ₗ lₛ') ∘ₗ LocalizedModule.mkLinearMap (Submonoid.powers t) N) x =
    (↑R (↑s₁ • ↑s₀ • LinearMap.id) ∘ₗ LocalizedModule.mkLinearMap (Submonoid.powers t) N) x

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_3
M : Type u_4
N : Type u_5
inst✝¹² : CommRing R
inst✝¹¹ : AddCommGroup M
inst✝¹⁰ : Module R M
inst✝⁹ : AddCommGroup N
inst✝⁸ : Module R N
S : Submonoid R
M' : Type u_1
inst✝⁷ : AddCommGroup M'
inst✝⁶ : Module R M'
f : M →ₗ[R] M'
inst✝⁵ : IsLocalizedModule S f
N' : Type u_2
inst✝⁴ : AddCommGroup N'
inst✝³ : Module R N'
g : N →ₗ[R] N'
inst✝² : IsLocalizedModule S g
inst✝¹ : Module.Finite R M
inst✝ : Module.FinitePresentation R N
l : M →ₗ[R] N
hf : Function.Bijective ⇑((IsLocalizedModule.map S f g) l)
e : M' ≃ₗ[R] N' := LinearEquiv.ofBijective ((IsLocalizedModule.map S f g) l) hf
l' : N →ₗ[R] M
s₀ : ↥S
H : f ∘ₗ l' = s₀ • ↑e.symm ∘ₗ g
H₁ : g ∘ₗ l ∘ₗ l' = g ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₁ : ↥S
hs₁ : s₁ • l ∘ₗ l' = s₁ • s₀ • LinearMap.id
H₂ : f ∘ₗ l' ∘ₗ l = f ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₂ : ↥S
hs₂ : s₂ • l' ∘ₗ l = s₂ • s₀ • LinearMap.id
t : R
ht : ↑s₀ * ↑s₁ * ↑s₂ ∣ t
Rₛ : Type u_3 := Localization (Submonoid.powers t)
lₛ : LocalizedModule (Submonoid.powers t) M →ₗ[Localization (Submonoid.powers t)]
  LocalizedModule (Submonoid.powers t) N :=
  (LocalizedModule.map (Submonoid.powers t)) l
hu₀ : IsUnit ((algebraMap R Rₛ) ↑s₀)
⊢ Function.Bijective ⇑((LocalizedModule.map (Submonoid.powers t)) l)

Tactic:
have hu₁ : IsUnit (algebraMap R Rₛ s₁) := isUnit_of_dvd_unit
    (hu := IsLocalization.map_units (M := .powers t) Rₛ ⟨t, Submonoid.mem_powers t⟩)
    (map_dvd (algebraMap R Rₛ) (dvd_trans ⟨s₀ * s₂, by ring⟩ ht))

Result:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_3
M : Type u_4
N : Type u_5
inst✝¹² : CommRing R
inst✝¹¹ : AddCommGroup M
inst✝¹⁰ : Module R M
inst✝⁹ : AddCommGroup N
inst✝⁸ : Module R N
S : Submonoid R
M' : Type u_1
inst✝⁷ : AddCommGroup M'
inst✝⁶ : Module R M'
f : M →ₗ[R] M'
inst✝⁵ : IsLocalizedModule S f
N' : Type u_2
inst✝⁴ : AddCommGroup N'
inst✝³ : Module R N'
g : N →ₗ[R] N'
inst✝² : IsLocalizedModule S g
inst✝¹ : Module.Finite R M
inst✝ : Module.FinitePresentation R N
l : M →ₗ[R] N
hf : Function.Bijective ⇑((IsLocalizedModule.map S f g) l)
e : M' ≃ₗ[R] N' := LinearEquiv.ofBijective ((IsLocalizedModule.map S f g) l) hf
l' : N →ₗ[R] M
s₀ : ↥S
H : f ∘ₗ l' = s₀ • ↑e.symm ∘ₗ g
H₁ : g ∘ₗ l ∘ₗ l' = g ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₁ : ↥S
hs₁ : s₁ • l ∘ₗ l' = s₁ • s₀ • LinearMap.id
H₂ : f ∘ₗ l' ∘ₗ l = f ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₂ : ↥S
hs₂ : s₂ • l' ∘ₗ l = s₂ • s₀ • LinearMap.id
t : R
ht : ↑s₀ * ↑s₁ * ↑s₂ ∣ t
Rₛ : Type u_3 := Localization (Submonoid.powers t)
lₛ : LocalizedModule (Submonoid.powers t) M →ₗ[Localization (Submonoid.powers t)]
  LocalizedModule (Submonoid.powers t) N :=
  (LocalizedModule.map (Submonoid.powers t)) l
hu₀ : IsUnit ((algebraMap R Rₛ) ↑s₀)
hu₁ : IsUnit ((algebraMap R Rₛ) ↑s₁)
⊢ Function.Bijective ⇑((LocalizedModule.map (Submonoid.powers t)) l)

Proof state:
R : Type u_3
M : Type u_4
N : Type u_5
inst✝¹² : CommRing R
inst✝¹¹ : AddCommGroup M
inst✝¹⁰ : Module R M
inst✝⁹ : AddCommGroup N
inst✝⁸ : Module R N
S : Submonoid R
M' : Type u_1
inst✝⁷ : AddCommGroup M'
inst✝⁶ : Module R M'
f : M →ₗ[R] M'
inst✝⁵ : IsLocalizedModule S f
N' : Type u_2
inst✝⁴ : AddCommGroup N'
inst✝³ : Module R N'
g : N →ₗ[R] N'
inst✝² : IsLocalizedModule S g
inst✝¹ : Module.Finite R M
inst✝ : Module.FinitePresentation R N
l : M →ₗ[R] N
hf : Function.Bijective ⇑((IsLocalizedModule.map S f g) l)
e : M' ≃ₗ[R] N' := LinearEquiv.ofBijective ((IsLocalizedModule.map S f g) l) hf
l' : N →ₗ[R] M
s₀ : ↥S
H : f ∘ₗ l' = s₀ • ↑e.symm ∘ₗ g
H₁ : g ∘ₗ l ∘ₗ l' = g ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₁ : ↥S
hs₁ : s₁ • l ∘ₗ l' = s₁ • s₀ • LinearMap.id
H₂ : f ∘ₗ l' ∘ₗ l = f ∘ₗ (s₀ • LinearMap.id)
s₂ : ↥S
hs₂ : s₂ • l' ∘ₗ l = s₂ • s₀ • LinearMap.id
t : R
ht : ↑s₀ * ↑s₁ * ↑s₂ ∣ t
Rₛ : Type u_3 := Localization (Submonoid.powers t)
lₛ : LocalizedModule (Submonoid.powers t) M →ₗ[Localization (Submonoid.powers t)]
  LocalizedModule (Submonoid.powers t) N :=
  (LocalizedModule.map (Submonoid.powers t)) l
⊢ ↑s₀ * ↑s₁ * ↑s₂ = ↑s₀ * (↑s₁ * ↑s₂)

Tactic:
simp [mul_assoc]

Result:
no goals