-- Mathlib/Algebra/Lie/LieTheorem.lean
/-- An auxiliary lemma used only in the definition `LieModule.weightSpaceOfIsLieTower` below. -/
private lemma weightSpaceOfIsLieTower_aux (z : L) (v : V) (hv : v ∈ weightSpace V χ) :
    ⁅z, v⁆ ∈ weightSpace V χ

Proof state:
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
⊢ (LinearMap.trace R ↥U) ((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) = 0

Tactic:
have hres : LieModule.toEnd R A U ⁅z, a⁆ = ⁅(π z).restrict hzU, LieModule.toEnd R A U a⁆ := by
  ext ⟨x, hx⟩
  show ⁅⁅z, a⁆, x⁆ = ⁅z, ⁅a, x⁆⁆ - ⁅a, ⁅z, x⁆⁆
  simp only [leibniz_lie z a, add_sub_cancel_right]

Result:
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
hres : (toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆ = ⁅LinearMap.restrict ((toEnd R L V) z) hzU, (toEnd R A ↥U) a⁆
⊢ (LinearMap.trace R ↥U) ((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) = 0

Proof state:
case h.mk.a
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
x : V
hx : x ∈ U
⊢ ↑(((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) ⟨x, hx⟩) = ↑(⁅LinearMap.restrict ((toEnd R L V) z) hzU, (toEnd R A ↥U) a⁆ ⟨x, hx⟩)

Tactic:
show ⁅⁅z, a⁆, x⁆ = ⁅z, ⁅a, x⁆⁆ - ⁅a, ⁅z, x⁆⁆

Result:
case h.mk.a
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
x : V
hx : x ∈ U
⊢ ⁅⁅z, a⁆, x⁆ = ⁅z, ⁅a, x⁆⁆ - ⁅a, ⁅z, x⁆⁆

Proof state:
case h
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
trace_za_zero : (LinearMap.trace R ↥U) ((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) = 0
w : A
key : ∀ (i : ℕ), i ≠ 0 → ∃ j < i, Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' i) ≤ U' j
x : ↥U
this : ∃ k, (LieModule.T χ w ^ k) ↑x = 0
n : ℕ
hn : (LieModule.T χ w ^ n) ↑x = 0
⊢ (LieModule.T χ w ^ n) x = 0

Tactic:
ext

Result:
case h.a
R : Type u_1
L : Type u_2
A : Type u_3
V : Type u_4
inst✝¹⁹ : CommRing R
inst✝¹⁸ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝¹⁷ : IsDomain R
inst✝¹⁶ : CharZero R
inst✝¹⁵ : LieRing L
inst✝¹⁴ : LieAlgebra R L
inst✝¹³ : LieRing A
inst✝¹² : LieAlgebra R A
inst✝¹¹ : Bracket L A
inst✝¹⁰ : Bracket A L
inst✝⁹ : AddCommGroup V
inst✝⁸ : Module R V
inst✝⁷ : Module.Free R V
inst✝⁶ : Module.Finite R V
inst✝⁵ : LieRingModule L V
inst✝⁴ : LieModule R L V
inst✝³ : LieRingModule A V
inst✝² : LieModule R A V
inst✝¹ : IsLieTower L A V
inst✝ : IsLieTower A L V
χ : A → R
z : L
v : V
hv : ∀ (x : A), ⁅x, v⁆ = χ x • v
a : A
hv' : v ≠ 0
U' : ℕ →o Submodule R V :=
  { toFun := fun n => Submodule.span R {x | ∃ i < n, ((toEnd R L V) z ^ i) v = x}, monotone' := ⋯ }
map_U'_le : ∀ (n : ℕ), Submodule.map ((toEnd R L V) z) (U' n) ≤ U' (n + 1)
T_apply_succ : ∀ (w : A) (n : ℕ), Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' (n + 1)) ≤ U' n
U : LieSubmodule R A V := { toSubmodule := ⨆ k, U' k, lie_mem := ⋯ }
hzU : ∀ x ∈ U, ((toEnd R L V) z) x ∈ U
trace_za_zero : (LinearMap.trace R ↥U) ((toEnd R A ↥U) ⁅z, a⁆) = 0
w : A
key : ∀ (i : ℕ), i ≠ 0 → ∃ j < i, Submodule.map (LieModule.T χ w) (U' i) ≤ U' j
x : ↥U
this : ∃ k, (LieModule.T χ w ^ k) ↑x = 0
n : ℕ
hn : (LieModule.T χ w ^ n) ↑x = 0
⊢ ↑((LieModule.T χ w ^ n) x) = ↑0