-- 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:
case intro.intro.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
z : M
hz : z ∈ I • span R s
c : R
hci : c ∈ I
hyz : c • i + z = r • i
⊢ ∃ c, c - 1 ∈ I ∧ c • i ∈ I • span R s

Tactic:
use r - c

Result:
case h
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
⊢ r - c - 1 ∈ I ∧ (r - c) • i ∈ I • span R s

Proof state:
case intro.intro.refine_2.intro.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
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
⊢ ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N

Tactic:
refine ⟨c * r, ?_, ?_, hs.2⟩

Result:
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

case intro.intro.refine_2.intro.intro.intro.intro.intro.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
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
⊢ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) (c * r)) (I • span R s)

Proof state:
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 : M
hn : n ∈ N
⊢ n ∈ comap ((LinearMap.lsmul R M) 1) (I • N)

Tactic:
rw [mem_comap]

Result:
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 : M
hn : n ∈ N
⊢ ((LinearMap.lsmul R M) 1) n ∈ I • N

Proof state:
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 • N)

Tactic:
intro n hn

Result:
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 : M
hn : n ∈ N
⊢ n ∈ comap ((LinearMap.lsmul R M) 1) (I • N)

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
hn : ∃ S, S.Finite ∧ span R S = N
hin : N ≤ I • N
⊢ ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0

Tactic:
rcases hn with ⟨s, hfs, hs⟩

Result:
case 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
hin : N ≤ I • N
s : Set M
hfs : s.Finite
hs : span R s = N
⊢ ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ ∀ n ∈ N, r • n = 0

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_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

Tactic:
rcases hy with ⟨c, hci, rfl⟩

Result:
case intro.intro.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
z : M
hz : z ∈ I • span R s
c : R
hci : c ∈ I
hyz : c • i + z = r • i
⊢ ∃ c, c - 1 ∈ I ∧ c • i ∈ I • span R s

Proof state:
case intro.intro.refine_2.intro.intro.intro.intro.intro.refine_2.intro.intro.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
c : R
hc1 : c - 1 ∈ I
hci : c • i ∈ I • span R s
n : M
hn : n ∈ N
z : M
hz : z ∈ I • span R s
d : R
left✝ : d ∈ I
hyz : d • i + z = r • n
⊢ d • c • i + c • z ∈ I • span R s

Tactic:
exact add_mem (smul_mem _ _ hci) (smul_mem _ _ 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 : i ∈ ↑N ∧ s ⊆ ↑N
this : ∃ c, c - 1 ∈ I ∧ c • i ∈ I • span R s
⊢ ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N

Tactic:
rcases this with ⟨c, hc1, hci⟩

Result:
case intro.intro.refine_2.intro.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
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
⊢ ∃ r, r - 1 ∈ I ∧ N ≤ comap ((LinearMap.lsmul R M) r) (I • span R s) ∧ s ⊆ ↑N