-- Mathlib/RingTheory/Finiteness/Nakayama.lean
theorem exists_sub_one_mem_and_smul_eq_zero_of_fg_of_le_smul {R : Type*} [CommRing R] {M : Type*}
    [AddCommGroup M] [Module R M] (I : Ideal R) (N : Submodule R M) (hn : N.FG) (hin : N ≤ I • N) :
    ∃ r : R, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = (0 : M)

Proof state:
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
hin : N ≤ I • N
s : Set M
hfs : s.Finite
hs : span R s = N
⊢ ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N

Tactic:
refine ⟨1, ?_, ?_, ?_⟩

Result:
case refine_1
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
hin : N ≤ I • N
s : Set M
hfs : s.Finite
hs : span R s = N
⊢ 1 - 1 ∈ I

case refine_2
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
hin : N ≤ I • N
s : Set M
hfs : s.Finite
hs : span R s = N
⊢ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) 1) (I • span R s)

case refine_3
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
hin : N ≤ I • N
s : Set M
hfs : s.Finite
hs : span R s = N
⊢ s ⊆ ↑N

Proof state:
case intro.intro.refine_2.intro.intro.intro.intro.intro.refine_1
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s✝ : Set M
hfs : s✝.Finite
i : M
s : Set M
x✝¹ : i ∉ s
x✝ : s.Finite
ih :
  (∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N) → ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
hrn : N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R {i} ⊔ I • span R s)
hs : i ∈ ↑N ∧ s ⊆ ↑N
c : R
hc1 : c - 1 ∈ I
hci : c • i ∈ I • span R s
⊢ c * r - 1 ∈ I

Tactic:
simpa only [mul_sub, mul_one, sub_add_sub_cancel] using I.add_mem (I.mul_mem_left c hr1) hc1

Result:
no goals

Proof state:
case h.right
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s✝ : Set M
hfs : s✝.Finite
i : M
s : Set M
x✝¹ : i ∉ s
x✝ : s.Finite
ih :
  (∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N) → ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
hs : i ∈ ↑N ∧ s ⊆ ↑N
z : M
hz : z ∈ I • span R s
c : R
hci : c ∈ I
hyz : c • i + z = r • i
⊢ z ∈ I • span R s

Tactic:
exact hz

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.refine_2.intro.intro.intro
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s✝ : Set M
hfs : s✝.Finite
i : M
s : Set M
x✝¹ : i ∉ s
x✝ : s.Finite
ih :
  (∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N) → ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
hrn : N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R {i} ⊔ I • span R s)
hs : insert i s ⊆ ↑N
⊢ ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N

Tactic:
rw [Set.insert_subset_iff] at hs

Result:
case intro.intro.refine_2.intro.intro.intro
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s✝ : Set M
hfs : s✝.Finite
i : M
s : Set M
x✝¹ : i ∉ s
x✝ : s.Finite
ih :
  (∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N) → ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
hrn : N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R {i} ⊔ I • span R s)
hs : i ∈ ↑N ∧ s ⊆ ↑N
⊢ ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s✝ : Set M
hfs : s✝.Finite
i : M
s : Set M
x✝¹ : i ∉ s
x✝ : s.Finite
ih :
  (∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N) → ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
hs : i ∈ ↑N ∧ s ⊆ ↑N
y : M
hy : y ∈ I • span R {i}
z : M
hz : z ∈ I • span R s
hyz : y + z = r • i
⊢ ∃ c, c - 1 ∈ I ∧ c • i ∈ I • span R s

Tactic:
rw [mem_smul_span_singleton] at hy

Result:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s✝ : Set M
hfs : s✝.Finite
i : M
s : Set M
x✝¹ : i ∉ s
x✝ : s.Finite
ih :
  (∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N) → ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
hs : i ∈ ↑N ∧ s ⊆ ↑N
y : M
hy : ∃ y_1 ∈ I, y_1 • i = y
z : M
hz : z ∈ I • span R s
hyz : y + z = r • i
⊢ ∃ c, c - 1 ∈ I ∧ c • i ∈ I • span R s

Proof state:
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s✝ : Set M
hfs : s✝.Finite
i : M
s : Set M
x✝¹ : i ∉ s
x✝ : s.Finite
ih :
  (∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N) → ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
hs : i ∈ ↑N ∧ s ⊆ ↑N
hrn : i ∈ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R {i} ⊔ I • span R s)
⊢ ∃ c, c - 1 ∈ I ∧ c • i ∈ I • span R s

Tactic:
rw [mem_comap, mem_sup] at hrn

Result:
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s✝ : Set M
hfs : s✝.Finite
i : M
s : Set M
x✝¹ : i ∉ s
x✝ : s.Finite
ih :
  (∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N) → ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
hs : i ∈ ↑N ∧ s ⊆ ↑N
hrn : ∃ y ∈ I • span R {i}, ∃ z ∈ I • span R s, y + z = ((LinearMap.lsmul R M) r) i
⊢ ∃ c, c - 1 ∈ I ∧ c • i ∈ I • span R s

Proof state:
case intro.intro.refine_1.intro.intro.intro
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s : Set M
hfs : s.Finite
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
hrn : N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R ∅)
right✝ : ∅ ⊆ ↑N
n : M
hn : n ∈ N
⊢ r • n = 0

Tactic:
specialize hrn hn

Result:
case intro.intro.refine_1.intro.intro.intro
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s : Set M
hfs : s.Finite
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
right✝ : ∅ ⊆ ↑N
n : M
hn : n ∈ N
hrn : n ∈ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R ∅)
⊢ r • n = 0

Proof state:
case intro.intro.refine_1.intro.intro.intro
R : Type u_1
inst✝² : CommRing R
M : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup M
inst✝ : Module R M
I : Ideal R
N : Submodule R M
s : Set M
hfs : s.Finite
r : R
hr1 : r - 1 ∈ I
right✝ : ∅ ⊆ ↑N
n : M
hn : n ∈ N
hrn : n ∈ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R ∅)
⊢ r • n = 0

Tactic:
rwa [mem_comap, span_empty, smul_bot, mem_bot] at hrn

Result:
no goals