-- Mathlib/Algebra/Lie/LieTheorem.lean
theorem exists_nontrivial_weightSpace_of_isSolvable
    [IsSolvable L] [LieModule.IsTriangularizable k L V] :
    ∃ χ : Module.Dual k L, Nontrivial (weightSpace V χ)

Proof state:
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
⊢ ∃ χ, Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)

Tactic:
let toEndo : L →ₗ[k] imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule (toEnd k L V)
    (fun x ↦ LinearMap.mem_range.mpr ⟨x, rfl⟩ : ∀ x : L, (toEnd k L V) x ∈ imL)

Result:
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
toEndo : L →ₗ[k] ↥imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule ↑(toEnd k L V) ⋯
⊢ ∃ χ, Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)

Proof state:
case h.intro.mk.refine_2
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
toEndo : L →ₗ[k] ↥imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule ↑(toEnd k L V) ⋯
χ : Module.Dual k ↥imL
h : Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)
v : V
hv : v ∈ weightSpace V ⇑χ
hv0 : ⟨v, hv⟩ ≠ 0
⊢ ⟨v, ⋯⟩ ≠ 0

Tactic:
simpa using hv0

Result:
no goals

Proof state:
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
⊢ ∃ χ, Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)

Tactic:
let imL := (toEnd k L V).range

Result:
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
⊢ ∃ χ, Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)

Proof state:
case h
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
toEndo : L →ₗ[k] ↥imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule ↑(toEnd k L V) ⋯
χ : Module.Dual k ↥imL
h : Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)
⊢ Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑(χ ∘ₗ toEndo))

Tactic:
obtain ⟨⟨v, hv⟩, hv0⟩ := exists_ne (0 : weightSpace V χ)

Result:
case h.intro.mk
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
toEndo : L →ₗ[k] ↥imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule ↑(toEnd k L V) ⋯
χ : Module.Dual k ↥imL
h : Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)
v : V
hv : v ∈ weightSpace V ⇑χ
hv0 : ⟨v, hv⟩ ≠ 0
⊢ Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑(χ ∘ₗ toEndo))

Proof state:
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
toEndo : L →ₗ[k] ↥imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule ↑(toEnd k L V) ⋯
⊢ ∃ χ, Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)

Tactic:
have ⟨χ, h⟩ := exists_forall_lie_eq_smul_of_isSolvable_of_finite k V imL

Result:
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
toEndo : L →ₗ[k] ↥imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule ↑(toEnd k L V) ⋯
χ : Module.Dual k ↥imL
h : Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)
⊢ ∃ χ, Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)

Proof state:
case h.intro.mk
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
toEndo : L →ₗ[k] ↥imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule ↑(toEnd k L V) ⋯
χ : Module.Dual k ↥imL
h : Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)
v : V
hv : v ∈ weightSpace V ⇑χ
hv0 : ⟨v, hv⟩ ≠ 0
⊢ Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑(χ ∘ₗ toEndo))

Tactic:
refine nontrivial_of_ne ⟨v, ?_⟩ 0 ?_

Result:
case h.intro.mk.refine_1
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
toEndo : L →ₗ[k] ↥imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule ↑(toEnd k L V) ⋯
χ : Module.Dual k ↥imL
h : Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)
v : V
hv : v ∈ weightSpace V ⇑χ
hv0 : ⟨v, hv⟩ ≠ 0
⊢ v ∈ weightSpace V ⇑(χ ∘ₗ toEndo)

case h.intro.mk.refine_2
k : Type u_1
inst✝¹¹ : Field k
L : Type u_2
inst✝¹⁰ : LieRing L
inst✝⁹ : LieAlgebra k L
V : Type u_3
inst✝⁸ : AddCommGroup V
inst✝⁷ : Module k V
inst✝⁶ : LieRingModule L V
inst✝⁵ : LieModule k L V
inst✝⁴ : CharZero k
inst✝³ : Module.Finite k V
inst✝² : Nontrivial V
inst✝¹ : IsSolvable L
inst✝ : IsTriangularizable k L V
imL : LieSubalgebra k (Module.End k V) := (toEnd k L V).range
toEndo : L →ₗ[k] ↥imL := LinearMap.codRestrict imL.toSubmodule ↑(toEnd k L V) ⋯
χ : Module.Dual k ↥imL
h : Nontrivial ↥(weightSpace V ⇑χ)
v : V
hv : v ∈ weightSpace V ⇑χ
hv0 : ⟨v, hv⟩ ≠ 0
⊢ ⟨v, ?h.intro.mk.refine_1⟩ ≠ 0