-- Mathlib/Algebra/Lie/LieTheorem.lean
/-- An auxiliary lemma used only in the definition `LieModule.weightSpaceOfIsLieTower` below. -/
private lemma weightSpaceOfIsLieTower_aux (z : L) (v : V) (hv : v ∈ weightSpace V χ) :
    ⁅z, v⁆ ∈ weightSpace V χ

Proof state:
case inl
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
a : A
hv : ∀ (x : A), ⁅x, 0⁆ = χ x • 0
⊢ ⁅a, ⁅z, 0⁆⁆ = χ a • ⁅z, 0⁆

Tactic:
simp only [lie_zero, smul_zero]

Result:
no goals

Proof state:
case inr
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
n : ℕ
hn :
  ∀ (w : A),
    ∀ a < n + 1,
      (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ a) v) ∈ Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}
w : A
hm : n + 1 < n + 1 + 1
⊢ (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ (n + 1)) v) ∈ Submodule.span R {x | ∃ i < n + 1, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}

Tactic:
have H : ∀ w, ⁅w, (π z ^ n) v⁆ = (T χ w) ((π z ^ n) v) + χ w • ((π z ^ n) v) := by simp

Result:
case inr
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
n : ℕ
hn :
  ∀ (w : A),
    ∀ a < n + 1,
      (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ a) v) ∈ Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}
w : A
hm : n + 1 < n + 1 + 1
H :
  ∀ (w : A), ⁅w, ((toEnd R L V) z ^ n) v⁆ = (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ n) v) + χ w • ((toEnd R L V) z ^ n) v
⊢ (LieModule.T χ w) (((toEnd R L V) z ^ (n + 1)) v) ∈ Submodule.span R {x | ∃ i < n + 1, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}

Proof state:
case h.a
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
trace_za_zero : (LinearMap.trace R ↥U) ((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) = 0
w : A
key : ∀ (i : ℕ), i ≠ 0 → ∃ j < i, Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' i) ≤ U' j
x : ↥U
this : ∃ k, (LieModule.T χ w ^ k) ↑x = 0
n : ℕ
⊢ ↑((LieModule.T χ w ^ n) x) = (LieModule.T χ w ^ n) ↑x

Tactic:
induction n <;> simp_all [pow_succ']

Result:
no goals

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
trace_za_zero : (LinearMap.trace R ↥U) ((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) = 0
w : A
key : ∀ (i : ℕ), i ≠ 0 → ∃ j < i, Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' i) ≤ U' j
x : ↥U
this : ↑x ∈ (LieModule.T χ w).maxGenEigenspace 0
⊢ ∃ n, (LieModule.T χ w ^ n) x = 0

Tactic:
simp only [Module.End.mem_maxGenEigenspace, zero_smul, sub_zero] at this

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
trace_za_zero : (LinearMap.trace R ↥U) ((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) = 0
w : A
key : ∀ (i : ℕ), i ≠ 0 → ∃ j < i, Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' i) ≤ U' j
x : ↥U
this : ∃ k, (LieModule.T χ w ^ k) ↑x = 0
⊢ ∃ n, (LieModule.T χ w ^ n) x = 0