-- Mathlib/Dynamics/TopologicalEntropy/CoverEntropy.lean
/-- From a dynamical cover `s` with entourage `U` and time `m`, we construct covers with entourage
`U ○ U` and any multiple `m * n` of `m` with controlled cardinality. This lemma is the first step
in a submultiplicative-like property of `coverMincard`, with consequences such as explicit bounds
for the topological entropy (`coverEntropyInfEntourage_le_card_div`) and an equality between
two notions of topological entropy (`coverEntropyInf_eq_coverEntropySup_of_inv`). -/
lemma IsDynCoverOf.iterate_le_pow {T : X → X} {F : Set X} (F_inv : MapsTo T F F) {U : Set (X × X)}
    (U_symm : SymmetricRel U) {m : ℕ} (n : ℕ) {s : Finset X} (h : IsDynCoverOf T F U m s) :
    ∃ t : Finset X, IsDynCoverOf T F (U ○ U) (m * n) t ∧ t.card ≤ s.card ^ n

Proof state:
case inr.intro.inr.refine_1
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝¹ : Nonempty X
s_nemp : s.Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
dyncover : (Fin n → { x // x ∈ s }) → X
h_dyncover :
  ∀ (t : Fin n → { x // x ∈ s }),
    ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m) ⊆ ball (dyncover t) (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))
sn : Set X := range dyncover
this : Fintype ↑(range dyncover)
x✝ : Nonempty { x // x ∈ s }
y : X
y_F : y ∈ F
t : Fin n → { x // x ∈ s }
ht : ∀ (k : Fin n), y ∈ T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m)
⊢ ∃ i, y ∈ ball (dyncover i) (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))

Tactic:
use t

Result:
case h
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝¹ : Nonempty X
s_nemp : s.Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
dyncover : (Fin n → { x // x ∈ s }) → X
h_dyncover :
  ∀ (t : Fin n → { x // x ∈ s }),
    ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m) ⊆ ball (dyncover t) (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))
sn : Set X := range dyncover
this : Fintype ↑(range dyncover)
x✝ : Nonempty { x // x ∈ s }
y : X
y_F : y ∈ F
t : Fin n → { x // x ∈ s }
ht : ∀ (k : Fin n), y ∈ T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m)
⊢ y ∈ ball (dyncover t) (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))

Proof state:
case inr.intro
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
t : Fin n → { x // x ∈ s }
y : X
y_int : y ∈ ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m)
⊢ ∃ y, ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m) ⊆ ball y (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))

Tactic:
refine ⟨y, fun z z_int ↦ ?_⟩

Result:
case inr.intro
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
t : Fin n → { x // x ∈ s }
y : X
y_int : y ∈ ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m)
z : X
z_int : z ∈ ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m)
⊢ z ∈ ball y (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))

Proof state:
case inr
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
t : Fin n → { x // x ∈ s }
inter_nemp : (⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m)).Nonempty
⊢ ∃ y, ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m) ⊆ ball y (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))

Tactic:
rcases inter_nemp with ⟨y, y_int⟩

Result:
case inr.intro
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
t : Fin n → { x // x ∈ s }
y : X
y_int : y ∈ ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m)
⊢ ∃ y, ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m) ⊆ ball y (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))

Proof state:
case inr.intro
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
⊢ ∃ t, IsDynCoverOf T F (U ○ U) (m * n) ↑t ∧ t.card ≤ s.card ^ n

Tactic:
rcases m.eq_zero_or_pos with rfl | m_pos

Result:
case inr.intro.inl
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
n : ℕ
s : Finset X
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
h : IsDynCoverOf T F U 0 ↑s
⊢ ∃ t, IsDynCoverOf T F (U ○ U) (0 * n) ↑t ∧ t.card ≤ s.card ^ n

case inr.intro.inr
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
⊢ ∃ t, IsDynCoverOf T F (U ○ U) (m * n) ↑t ∧ t.card ≤ s.card ^ n

Proof state:
case inr.intro.inr
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
dyncover : (Fin n → { x // x ∈ s }) → X
h_dyncover :
  ∀ (t : Fin n → { x // x ∈ s }),
    ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m) ⊆ ball (dyncover t) (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))
sn : Set X := range dyncover
this : Fintype ↑(range dyncover)
⊢ ∃ t, IsDynCoverOf T F (U ○ U) (m * n) ↑t ∧ t.card ≤ s.card ^ n

Tactic:
refine ⟨sn.toFinset, ?_, ?_⟩

Result:
case inr.intro.inr.refine_1
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
dyncover : (Fin n → { x // x ∈ s }) → X
h_dyncover :
  ∀ (t : Fin n → { x // x ∈ s }),
    ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m) ⊆ ball (dyncover t) (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))
sn : Set X := range dyncover
this : Fintype ↑(range dyncover)
⊢ IsDynCoverOf T F (U ○ U) (m * n) ↑sn.toFinset

case inr.intro.inr.refine_2
X : Type u_1
T : X → X
F : Set X
F_inv : MapsTo T F F
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
h : IsDynCoverOf T F U m ↑s
x✝ : Nonempty X
s_nemp : (↑s).Nonempty
x : X
x_F : x ∈ F
m_pos : m > 0
dyncover : (Fin n → { x // x ∈ s }) → X
h_dyncover :
  ∀ (t : Fin n → { x // x ∈ s }),
    ⋂ k, T^[m * ↑k] ⁻¹' ball (↑(t k)) (dynEntourage T U m) ⊆ ball (dyncover t) (dynEntourage T (U ○ U) (m * n))
sn : Set X := range dyncover
this : Fintype ↑(range dyncover)
⊢ sn.toFinset.card ≤ s.card ^ n

Proof state:
case inl
X : Type u_1
T : X → X
U : Set (X × X)
U_symm : SymmetricRel U
m n : ℕ
s : Finset X
F_inv : MapsTo T ∅ ∅
h : IsDynCoverOf T ∅ U m ↑s
⊢ ∃ t, IsDynCoverOf T ∅ (U ○ U) (m * n) ↑t ∧ t.card ≤ s.card ^ n

Tactic:
exact ⟨∅, by simp⟩

Result:
no goals