-- Mathlib/LinearAlgebra/Prod.lean
/-- **Vertical line test** for linear maps.

Let `f : G → H × I` be a linear (or semilinear) map to a product. Assume that `f` is surjective on
the first factor and that the image of `f` intersects every "vertical line" `{(h, i) | i : I}` at
most once. Then the image of `f` is the graph of some linear map `f' : H → I`. -/
lemma LinearMap.exists_range_eq_graph {f : G →ₛₗ[σ] H × I} (hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ f))
    (hf : ∀ g₁ g₂, (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2) :
    ∃ f' : H →ₗ[S] I, LinearMap.range f = LinearMap.graph f'

Proof state:
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
⊢ ∀ (m : S) (x : H),
    { toFun := (↑f').toFun, map_add' := ⋯ }.toFun (m • x) =
      (RingHom.id S) m • { toFun := (↑f').toFun, map_add' := ⋯ }.toFun x

Tactic:
intro s h

Result:
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
s : S
h : H
⊢ { toFun := (↑f').toFun, map_add' := ⋯ }.toFun (s • h) =
    (RingHom.id S) s • { toFun := (↑f').toFun, map_add' := ⋯ }.toFun h

Proof state:
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
s : S
h : H
⊢ ∃ x, f x = (s • h, s • f' h)

Tactic:
rw [← Prod.smul_mk, ← LinearMap.mem_range]

Result:
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
s : S
h : H
⊢ s • (h, f' h) ∈ range f

Proof state:
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
s : S
h : H
⊢ s • (h, f' h) ∈ range f

Tactic:
apply Submodule.smul_mem

Result:
case h
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
s : S
h : H
⊢ (h, f' h) ∈ range f

Proof state:
case intro
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : AddMonoidHom.mrange ↑f = f'.mgraph
⊢ ∃ f', range f = f'.graph

Tactic:
simp only [SetLike.ext_iff, AddMonoidHom.mem_mrange, AddMonoidHom.coe_coe,
  AddMonoidHom.mem_mgraph] at hf'

Result:
case intro
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
⊢ ∃ f', range f = f'.graph

Proof state:
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
⊢ ∃ f', range f = f'.graph

Tactic:
obtain ⟨f', hf'⟩ :=
  AddMonoidHom.exists_mrange_eq_mgraph (G := G) (H := H) (I := I) (f := f) hf₁ hf

Result:
case intro
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : AddMonoidHom.mrange ↑f = f'.mgraph
⊢ ∃ f', range f = f'.graph

Proof state:
case h
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
s : S
h : H
⊢ (h, f' h) ∈ range f

Tactic:
rw [LinearMap.mem_range, hf']

Result:
no goals

Proof state:
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
s : S
h : H
⊢ f' (s • h) = s • f' h

Tactic:
refine (hf' (s • h, _)).mp ?_

Result:
R : Type u_3
S : Type u_4
G : Type u_5
H : Type u_6
I : Type u_7
inst✝⁸ : Semiring R
inst✝⁷ : Semiring S
σ : R →+* S
inst✝⁶ : RingHomSurjective σ
inst✝⁵ : AddCommMonoid G
inst✝⁴ : Module R G
inst✝³ : AddCommMonoid H
inst✝² : Module S H
inst✝¹ : AddCommMonoid I
inst✝ : Module S I
f : G →ₛₗ[σ] H × I
hf₁ : Surjective (Prod.fst ∘ ⇑f)
hf : ∀ (g₁ g₂ : G), (f g₁).1 = (f g₂).1 → (f g₁).2 = (f g₂).2
f' : H →+ I
hf' : ∀ (x : H × I), (∃ x_1, f x_1 = x) ↔ f' x.1 = x.2
s : S
h : H
⊢ ∃ x, f x = (s • h, s • f' h)