-- Mathlib/Algebra/Lie/Nilpotent.lean
/-- For a nilpotent Lie module `M` of a Lie algebra `L`, the first term in the lower central series
of `M` contains a non-zero element on which `L` acts trivially unless the entire action is trivial.

Taking `M = L`, this provides a useful characterisation of Abelian-ness for nilpotent Lie
algebras. -/
lemma disjoint_lowerCentralSeries_maxTrivSubmodule_iff [IsNilpotent L M] :
    Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M) ↔ IsTrivial L M

Proof state:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
contra : ¬IsTrivial L M
⊢ False

Tactic:
have : lowerCentralSeriesLast R L M ≤ lowerCentralSeries R L M 1 ⊓ maxTrivSubmodule R L M :=
  le_inf_iff.mpr ⟨lowerCentralSeriesLast_le_of_not_isTrivial R L M contra,
    lowerCentralSeriesLast_le_max_triv R L M⟩

Result:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
contra : ¬IsTrivial L M
this : lowerCentralSeriesLast R L M ≤ lowerCentralSeries R L M 1 ⊓ maxTrivSubmodule R L M
⊢ False

Proof state:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
contra : ¬IsTrivial L M
this : lowerCentralSeriesLast R L M ≤ lowerCentralSeries R L M 1 ⊓ maxTrivSubmodule R L M
⊢ False

Tactic:
suffices ¬ Nontrivial (lowerCentralSeriesLast R L M) by
  exact this (nontrivial_lowerCentralSeriesLast R L M)

Result:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
contra : ¬IsTrivial L M
this : lowerCentralSeriesLast R L M ≤ lowerCentralSeries R L M 1 ⊓ maxTrivSubmodule R L M
⊢ ¬Nontrivial ↥(lowerCentralSeriesLast R L M)

Proof state:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
⊢ Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M) ↔ IsTrivial L M

Tactic:
refine ⟨fun h ↦ ?_, fun h ↦ by simp⟩

Result:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
⊢ IsTrivial L M

Proof state:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
contra : ¬IsTrivial L M
this✝ : lowerCentralSeriesLast R L M ≤ lowerCentralSeries R L M 1 ⊓ maxTrivSubmodule R L M
this : ¬Nontrivial ↥(lowerCentralSeriesLast R L M)
⊢ False

Tactic:
exact this (nontrivial_lowerCentralSeriesLast R L M)

Result:
no goals

Proof state:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : IsTrivial L M
⊢ Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)

Tactic:
simp

Result:
no goals

Proof state:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
⊢ IsTrivial L M

Tactic:
by_contra contra

Result:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
contra : ¬IsTrivial L M
⊢ False

Proof state:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
contra : ¬IsTrivial L M
this : lowerCentralSeriesLast R L M ≤ lowerCentralSeries R L M 1 ⊓ maxTrivSubmodule R L M
⊢ ¬Nontrivial ↥(lowerCentralSeriesLast R L M)

Tactic:
rw [h.eq_bot, le_bot_iff] at this

Result:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
contra : ¬IsTrivial L M
this : lowerCentralSeriesLast R L M = ⊥
⊢ ¬Nontrivial ↥(lowerCentralSeriesLast R L M)

Proof state:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
⊢ IsTrivial L M

Tactic:
nontriviality M

Result:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
⊢ IsTrivial L M

Proof state:
R : Type u
L : Type v
M : Type w
inst✝⁷ : CommRing R
inst✝⁶ : LieRing L
inst✝⁵ : LieAlgebra R L
inst✝⁴ : AddCommGroup M
inst✝³ : Module R M
inst✝² : LieRingModule L M
inst✝¹ : LieModule R L M
inst✝ : IsNilpotent L M
h : Disjoint (lowerCentralSeries R L M 1) (maxTrivSubmodule R L M)
a✝ : Nontrivial M
contra : ¬IsTrivial L M
this : lowerCentralSeriesLast R L M = ⊥
⊢ ¬Nontrivial ↥(lowerCentralSeriesLast R L M)

Tactic:
exact this ▸ not_nontrivial _

Result:
no goals