-- Mathlib/Algebra/Group/Submonoid/Pointwise.lean
theorem pow_smul_mem_closure_smul {N : Type*} [CommMonoid N] [MulAction M N] [IsScalarTower M N N]
    (r : M) (s : Set N) {x : N} (hx : x ∈ closure s) : ∃ n : ℕ, r ^ n • x ∈ closure (r • s)

Proof state:
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x✝ x : N
hx : x ∈ s
⊢ (fun x => r • x) x = r ^ 1 • x

Tactic:
rw [pow_one]

Result:
no goals

Proof state:
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x : N
hx : x ∈ closure s
⊢ ∃ n, r ^ n • x ∈ closure (r • s)

Tactic:
induction hx using closure_induction with
| mem x hx => exact ⟨1, subset_closure ⟨_, hx, by rw [pow_one]⟩⟩
| one => exact ⟨0, by simpa using one_mem _⟩
| mul x y _ _ hx hy =>
  obtain ⟨⟨nx, hx⟩, ⟨ny, hy⟩⟩ := And.intro hx hy
  use ny + nx
  rw [pow_add, mul_smul, ← smul_mul_assoc, mul_comm, ← smul_mul_assoc]
  exact mul_mem hy hx

Result:
no goals

Proof state:
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x : N
⊢ r ^ 0 • 1 ∈ closure (r • s)

Tactic:
simpa using one_mem _

Result:
no goals

Proof state:
case one
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x : N
⊢ ∃ n, r ^ n • 1 ∈ closure (r • s)

Tactic:
exact ⟨0, by simpa using one_mem _⟩

Result:
no goals

Proof state:
case mul.intro.intro.intro
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x✝ x y : N
hx✝¹ : x ∈ closure s
hy✝¹ : y ∈ closure s
hx✝ : ∃ n, r ^ n • x ∈ closure (r • s)
hy✝ : ∃ n, r ^ n • y ∈ closure (r • s)
nx : ℕ
hx : r ^ nx • x ∈ closure (r • s)
ny : ℕ
hy : r ^ ny • y ∈ closure (r • s)
⊢ ∃ n, r ^ n • (x * y) ∈ closure (r • s)

Tactic:
use ny + nx

Result:
case h
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x✝ x y : N
hx✝¹ : x ∈ closure s
hy✝¹ : y ∈ closure s
hx✝ : ∃ n, r ^ n • x ∈ closure (r • s)
hy✝ : ∃ n, r ^ n • y ∈ closure (r • s)
nx : ℕ
hx : r ^ nx • x ∈ closure (r • s)
ny : ℕ
hy : r ^ ny • y ∈ closure (r • s)
⊢ r ^ (ny + nx) • (x * y) ∈ closure (r • s)

Proof state:
case h
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x✝ x y : N
hx✝¹ : x ∈ closure s
hy✝¹ : y ∈ closure s
hx✝ : ∃ n, r ^ n • x ∈ closure (r • s)
hy✝ : ∃ n, r ^ n • y ∈ closure (r • s)
nx : ℕ
hx : r ^ nx • x ∈ closure (r • s)
ny : ℕ
hy : r ^ ny • y ∈ closure (r • s)
⊢ r ^ ny • y * r ^ nx • x ∈ closure (r • s)

Tactic:
exact mul_mem hy hx

Result:
no goals

Proof state:
case mul
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x✝ x y : N
hx✝ : x ∈ closure s
hy✝ : y ∈ closure s
hx : ∃ n, r ^ n • x ∈ closure (r • s)
hy : ∃ n, r ^ n • y ∈ closure (r • s)
⊢ ∃ n, r ^ n • (x * y) ∈ closure (r • s)

Tactic:
obtain ⟨⟨nx, hx⟩, ⟨ny, hy⟩⟩ := And.intro hx hy

Result:
case mul.intro.intro.intro
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x✝ x y : N
hx✝¹ : x ∈ closure s
hy✝¹ : y ∈ closure s
hx✝ : ∃ n, r ^ n • x ∈ closure (r • s)
hy✝ : ∃ n, r ^ n • y ∈ closure (r • s)
nx : ℕ
hx : r ^ nx • x ∈ closure (r • s)
ny : ℕ
hy : r ^ ny • y ∈ closure (r • s)
⊢ ∃ n, r ^ n • (x * y) ∈ closure (r • s)

Proof state:
case mem
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x✝ x : N
hx : x ∈ s
⊢ ∃ n, r ^ n • x ∈ closure (r • s)

Tactic:
exact ⟨1, subset_closure ⟨_, hx, by rw [pow_one]⟩⟩

Result:
no goals

Proof state:
case h
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x✝ x y : N
hx✝¹ : x ∈ closure s
hy✝¹ : y ∈ closure s
hx✝ : ∃ n, r ^ n • x ∈ closure (r • s)
hy✝ : ∃ n, r ^ n • y ∈ closure (r • s)
nx : ℕ
hx : r ^ nx • x ∈ closure (r • s)
ny : ℕ
hy : r ^ ny • y ∈ closure (r • s)
⊢ r ^ (ny + nx) • (x * y) ∈ closure (r • s)

Tactic:
rw [pow_add, mul_smul, ← smul_mul_assoc, mul_comm, ← smul_mul_assoc]

Result:
case h
M : Type u_3
inst✝³ : Monoid M
N : Type u_7
inst✝² : CommMonoid N
inst✝¹ : MulAction M N
inst✝ : IsScalarTower M N N
r : M
s : Set N
x✝ x y : N
hx✝¹ : x ∈ closure s
hy✝¹ : y ∈ closure s
hx✝ : ∃ n, r ^ n • x ∈ closure (r • s)
hy✝ : ∃ n, r ^ n • y ∈ closure (r • s)
nx : ℕ
hx : r ^ nx • x ∈ closure (r • s)
ny : ℕ
hy : r ^ ny • y ∈ closure (r • s)
⊢ r ^ ny • y * r ^ nx • x ∈ closure (r • s)