-- Mathlib/Algebra/Lie/EngelSubalgebra.lean
/-- A Lie-subalgebra of an Artinian Lie algebra is self-normalizing
if it contains an Engel subalgebra.
See `LieSubalgebra.normalizer_engel` for a proof that Engel subalgebras are self-normalizing,
avoiding the Artinian condition. -/
lemma normalizer_eq_self_of_engel_le [IsArtinian R L]
    (H : LieSubalgebra R L) (x : L) (h : engel R x ≤ H) :
    normalizer H = H

Proof state:
case intro.a.h
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k : ℕ
hk : Codisjoint (LinearMap.ker (dx ^ (k + 1))) (LinearMap.range (dx ^ (k + 1)))
⊢ LinearMap.range (dx ^ (k + 1)) ≤ Submodule.comap N.subtype H.toSubmodule

Tactic:
rintro _ ⟨y, rfl⟩

Result:
case intro.a.h.intro
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k : ℕ
hk : Codisjoint (LinearMap.ker (dx ^ (k + 1))) (LinearMap.range (dx ^ (k + 1)))
y : ↥N
⊢ (dx ^ (k + 1)) y ∈ Submodule.comap N.subtype H.toSubmodule

Proof state:
case h
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k : ℕ
y : ↥N
⊢ y ∈ LinearMap.ker (dx ^ (k + 1)) → ((ad R L) x ^ (k + 1)) (N.subtype y) = 0

Tactic:
generalize k+1 = k

Result:
case h
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k✝ : ℕ
y : ↥N
k : ℕ
⊢ y ∈ LinearMap.ker (dx ^ k) → ((ad R L) x ^ k) (N.subtype y) = 0

Proof state:
case intro.a
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k : ℕ
hk : Codisjoint (LinearMap.ker (dx ^ (k + 1))) (LinearMap.range (dx ^ (k + 1)))
⊢ Submodule.map N.subtype (LinearMap.ker (dx ^ (k + 1))) ≤ (engel R x).toSubmodule ⊔ H.toSubmodule

Tactic:
apply le_sup_of_le_left

Result:
case intro.a.h
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k : ℕ
hk : Codisjoint (LinearMap.ker (dx ^ (k + 1))) (LinearMap.range (dx ^ (k + 1)))
⊢ Submodule.map N.subtype (LinearMap.ker (dx ^ (k + 1))) ≤ (engel R x).toSubmodule

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
⊢ N.toSubmodule ≤ (engel R x).toSubmodule ⊔ H.toSubmodule

Tactic:
let dx : N →ₗ[R] N := (ad R L x).restrict aux₂

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
⊢ N.toSubmodule ≤ (engel R x).toSubmodule ⊔ H.toSubmodule

Proof state:
case h.succ
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k✝ k : ℕ
ih : ∀ ⦃y : ↥N⦄, y ∈ LinearMap.ker (dx ^ k) → ((ad R L) x ^ k) (N.subtype y) = 0
y : ↥N
⊢ y ∈ LinearMap.ker (dx ^ (k + 1)) → ((ad R L) x ^ (k + 1)) (N.subtype y) = 0

Tactic:
simp only [pow_succ, LinearMap.mem_ker, LinearMap.mul_apply] at ih ⊢

Result:
case h.succ
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k✝ k : ℕ
y : ↥N
ih : ∀ ⦃y : ↥N⦄, (dx ^ k) y = 0 → ((ad R L) x ^ k) (N.subtype y) = 0
⊢ (dx ^ k) (dx y) = 0 → ((ad R L) x ^ k) (((ad R L) x) (N.subtype y)) = 0

Proof state:
case h
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k✝ : ℕ
y : ↥N
k : ℕ
⊢ y ∈ LinearMap.ker (dx ^ k) → ((ad R L) x ^ k) (N.subtype y) = 0

Tactic:
induction k generalizing y with
| zero =>
  cases y; intro hy; simp only [pow_zero, LinearMap.one_apply]
  exact (AddSubmonoid.mk_eq_zero N.toAddSubmonoid).mp hy
| succ k ih => simp only [pow_succ, LinearMap.mem_ker, LinearMap.mul_apply] at ih ⊢; apply ih

Result:
no goals

Proof state:
case h.zero.mk
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k : ℕ
val✝ : L
property✝ : val✝ ∈ N
hy : ⟨val✝, property✝⟩ ∈ LinearMap.ker (dx ^ 0)
⊢ N.subtype ⟨val✝, property✝⟩ = 0

Tactic:
exact (AddSubmonoid.mk_eq_zero N.toAddSubmonoid).mp hy

Result:
no goals

Proof state:
case h.zero.mk
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k : ℕ
val✝ : L
property✝ : val✝ ∈ N
hy : ⟨val✝, property✝⟩ ∈ LinearMap.ker (dx ^ 0)
⊢ ((ad R L) x ^ 0) (N.subtype ⟨val✝, property✝⟩) = 0

Tactic:
simp only [pow_zero, LinearMap.one_apply]

Result:
case h.zero.mk
R : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra R L
inst✝ : IsArtinian R L
H : LieSubalgebra R L
x : L
h : engel R x ≤ H
N : LieSubalgebra R L := H.normalizer
aux₁ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ H
aux₂ : ∀ n ∈ N, ⁅x, n⁆ ∈ N
dx : ↥N →ₗ[R] ↥N := LinearMap.restrict ((ad R L) x) aux₂
k : ℕ
val✝ : L
property✝ : val✝ ∈ N
hy : ⟨val✝, property✝⟩ ∈ LinearMap.ker (dx ^ 0)
⊢ N.subtype ⟨val✝, property✝⟩ = 0