-- Mathlib/FieldTheory/JacobsonNoether.lean
theorem exists_separable_and_not_isCentral (H : k ≠ (⊤ : Subring D)) :
    ∃ x : D, x ∉ k ∧ IsSeparable k x

Proof state:
case h
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
b : D
hb1 : ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0
n : ℕ
hn : 0 < n
c : D := (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
hb : c ≠ 0 ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0
hc_def : c = (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
x✝ : Invertible c := { invOf := c⁻¹, invOf_mul_self := ⋯, mul_invOf_self := ⋯ }
⊢ (mulLeft (↥k) a) c - (mulRight (↥k) a) c = 0

Tactic:
suffices ad k D a c = 0 from by
  rw [← this]; rfl

Result:
case h
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
b : D
hb1 : ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0
n : ℕ
hn : 0 < n
c : D := (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
hb : c ≠ 0 ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0
hc_def : c = (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
x✝ : Invertible c := { invOf := c⁻¹, invOf_mul_self := ⋯, mul_invOf_self := ⋯ }
⊢ ((ad (↥k) D) a) c = 0

Proof state:
case intro.intro
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
b : D
hb1 : ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0
m : ℕ
hm2 : ∀ (n : ℕ), p ^ m ≤ n → (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] = 0
h_exist : ∃ n, 0 < n ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0
⊢ ∃ n, 0 < n ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b ≠ 0 ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0

Tactic:
refine ⟨Nat.find h_exist, ⟨(Nat.find_spec h_exist).1, ?_, (Nat.find_spec h_exist).2⟩⟩

Result:
case intro.intro
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
b : D
hb1 : ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0
m : ℕ
hm2 : ∀ (n : ℕ), p ^ m ≤ n → (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] = 0
h_exist : ∃ n, 0 < n ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0
⊢ (⇑((ad (↥k) D) a))^[Nat.find h_exist] b ≠ 0

Proof state:
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
b : D
hb1 : ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0
n : ℕ
hn : 0 < n
c : D := (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
hb : c ≠ 0 ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0
hc_def : c = (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
x✝ : Invertible c := { invOf := c⁻¹, invOf_mul_self := ⋯, mul_invOf_self := ⋯ }
hc : a * c = c * a
d : D := c⁻¹ * a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b
hd_def : d = c⁻¹ * a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b
hc' : c⁻¹ * a = a * c⁻¹
c_eq : a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b - (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b * a = c
eq1 : c⁻¹ * a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b - c⁻¹ * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b * a = 1
⊢ a * d - d * a = a * 1

Tactic:
rw [hd_def, ← eq1, mul_sub, mul_assoc _ _ a, sub_right_inj, hc',
  ← mul_assoc, ← mul_assoc, ← mul_assoc]

Result:
no goals

Proof state:
case neg
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
b : D
hb1 : ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0
m : ℕ
hm2 : ∀ (n : ℕ), p ^ m ≤ n → (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] = 0
h_exist : ∃ n, 0 < n ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0
t : ℕ := Nat.find h_exist - 1
ht : t = Nat.find h_exist - 1
h_pos : ¬0 < t
⊢ Nat.find h_exist = 1

Tactic:
rw [not_lt, Nat.le_zero, ht, Nat.sub_eq_zero_iff_le] at h_pos

Result:
case neg
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
b : D
hb1 : ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0
m : ℕ
hm2 : ∀ (n : ℕ), p ^ m ≤ n → (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] = 0
h_exist : ∃ n, 0 < n ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0
t : ℕ := Nat.find h_exist - 1
ht : t = Nat.find h_exist - 1
h_pos : Nat.find h_exist ≤ 1
⊢ Nat.find h_exist = 1

Proof state:
case intro.intro
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
⊢ False

Tactic:
have ha₀ : a ≠ 0 := fun nh ↦ nh ▸ ha <| Subring.zero_mem k

Result:
case intro.intro
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
⊢ False

Proof state:
case h
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : ∃ x, ¬x * a = a * x
ha₀ : a ≠ 0
⊢ ((ad (↥k) D) a) ha.choose ≠ 0

Tactic:
show a * ha.choose - ha.choose * a ≠ 0

Result:
case h
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : ∃ x, ¬x * a = a * x
ha₀ : a ≠ 0
⊢ a * ha.choose - ha.choose * a ≠ 0

Proof state:
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : ∃ x, ¬x * a = a * x
ha₀ : a ≠ 0
⊢ ∃ b, ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0

Tactic:
use ha.choose

Result:
case h
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : ∃ x, ¬x * a = a * x
ha₀ : a ≠ 0
⊢ ((ad (↥k) D) a) ha.choose ≠ 0

Proof state:
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
b : D
hb1 : ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0
n : ℕ
hn : 0 < n
c : D := (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
hb : c ≠ 0 ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0
hc_def : c = (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
x✝ : Invertible c := { invOf := c⁻¹, invOf_mul_self := ⋯, mul_invOf_self := ⋯ }
hc : a * c = c * a
d : D := c⁻¹ * a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b
hd_def : d = c⁻¹ * a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b
hc' : c⁻¹ * a = a * c⁻¹
⊢ a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b - (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b * a = c

Tactic:
rw [hc_def, ← Nat.sub_add_cancel hn, Function.iterate_succ_apply' (ad k D a) _ b]

Result:
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Algebra.IsAlgebraic (↥k) D
H : k ≠ ⊤
p : ℕ
hp : ExpChar D p
insep : ∀ (x : D), IsSeparable (↥k) x → x ∈ k
a : D
ha : a ∉ k
ha₀ : a ≠ 0
b : D
hb1 : ((ad (↥k) D) a) b ≠ 0
n : ℕ
hn : 0 < n
c : D := (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
hb : c ≠ 0 ∧ (⇑((ad (↥k) D) a))^[n + 1] b = 0
hc_def : c = (⇑((ad (↥k) D) a))^[n] b
x✝ : Invertible c := { invOf := c⁻¹, invOf_mul_self := ⋯, mul_invOf_self := ⋯ }
hc : a * c = c * a
d : D := c⁻¹ * a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b
hd_def : d = c⁻¹ * a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - 1] b
hc' : c⁻¹ * a = a * c⁻¹
⊢ a * (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - Nat.succ 0 + Nat.succ 0 - 1] b -
      (⇑((ad (↥k) D) a))^[n - Nat.succ 0 + Nat.succ 0 - 1] b * a =
    ((ad (↥k) D) a) ((⇑((ad (↥k) D) a))^[n - Nat.succ 0] b)