Theorem: Ideal.span_pow_eq_top
File: Mathlib/RingTheory/Ideal/Basic.lean

Proof steps:
state_before: α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
hs : span s = ⊤
n : ℕ
⊢ span ((fun x => x ^ n) '' s) = ⊤
state_after: α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
hs : span s = ⊤
n : ℕ
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ n) '' s)
tactic: rw [eq_top_iff_one]
state_before: α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
hs : span s = ⊤
n : ℕ
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ n) '' s)
state_after: case zero
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
hs : span s = ⊤
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ 0) '' s)

case succ
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
hs : span s = ⊤
n : ℕ
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
tactic: cases' n with n
state_before: case succ
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
hs : span s = ⊤
n : ℕ
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
state_after: case succ
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
hs : ∃ l, (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) l = 1
n : ℕ
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
tactic: rw [eq_top_iff_one, span, Finsupp.mem_span_iff_total] at hs
state_before: case succ
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
hs : ∃ l, (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) l = 1
n : ℕ
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
state_after: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
tactic: rcases hs with ⟨f, hf⟩
state_before: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
state_after: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
tactic: have hf : (f.support.sum fun a => f a * a) = 1 := hf
state_before: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
state_after: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : (∑ i ∈ f.support, f i * ↑i) ^ (f.support.card * n + 1) ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
tactic: have := sum_pow_mem_span_pow f.support (fun a => f a * a) n
state_before: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : (∑ i ∈ f.support, f i * ↑i) ^ (f.support.card * n + 1) ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
state_after: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
tactic: rw [hf, one_pow] at this
state_before: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
⊢ 1 ∈ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
state_after: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
⊢ (fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support ⊆ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
tactic: refine span_le.mpr ?_ this
state_before: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
⊢ (fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support ⊆ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
state_after: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
a✝ : α
hx : a✝ ∈ (fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support
⊢ a✝ ∈ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
tactic: rintro _ hx
state_before: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
a✝ : α
hx : a✝ ∈ (fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support
⊢ a✝ ∈ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
state_after: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
a✝ : α
hx : ∃ x ∈ ↑f.support, (f x * ↑x) ^ (n + 1) = a✝
⊢ a✝ ∈ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
tactic: simp_rw [Set.mem_image] at hx
state_before: case succ.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
a✝ : α
hx : ∃ x ∈ ↑f.support, (f x * ↑x) ^ (n + 1) = a✝
⊢ a✝ ∈ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
state_after: case succ.intro.intro.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
x : ↑s
left✝ : x ∈ ↑f.support
⊢ (f x * ↑x) ^ (n + 1) ∈ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
tactic: rcases hx with ⟨x, _, rfl⟩
state_before: case succ.intro.intro.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
x : ↑s
left✝ : x ∈ ↑f.support
⊢ (f x * ↑x) ^ (n + 1) ∈ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
state_after: case succ.intro.intro.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this✝ : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
x : ↑s
left✝ : x ∈ ↑f.support
this : span {↑x ^ (n + 1)} ≤ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
⊢ (f x * ↑x) ^ (n + 1) ∈ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
tactic: have : span ({(x : α) ^ (n + 1)} : Set α) ≤ span ((fun x : α => x ^ (n + 1)) '' s) := by
    rw [span_le, Set.singleton_subset_iff]
    exact subset_span ⟨x, x.prop, rfl⟩
state_before: case succ.intro.intro.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this✝ : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
x : ↑s
left✝ : x ∈ ↑f.support
this : span {↑x ^ (n + 1)} ≤ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
⊢ (f x * ↑x) ^ (n + 1) ∈ ↑(span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s))
state_after: case succ.intro.intro.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this✝ : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
x : ↑s
left✝ : x ∈ ↑f.support
this : span {↑x ^ (n + 1)} ≤ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
⊢ (f x * ↑x) ^ (n + 1) ∈ span {↑x ^ (n + 1)}
tactic: refine this ?_
state_before: case succ.intro.intro.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this✝ : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
x : ↑s
left✝ : x ∈ ↑f.support
this : span {↑x ^ (n + 1)} ≤ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
⊢ (f x * ↑x) ^ (n + 1) ∈ span {↑x ^ (n + 1)}
state_after: case succ.intro.intro.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this✝ : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
x : ↑s
left✝ : x ∈ ↑f.support
this : span {↑x ^ (n + 1)} ≤ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
⊢ ↑x ^ (n + 1) ∣ f x ^ (n + 1) * ↑x ^ (n + 1)
tactic: rw [mul_pow, mem_span_singleton]
state_before: case succ.intro.intro.intro
α : Type u
β : Type v
a b : α
inst✝ : CommSemiring α
I : Ideal α
s : Set α
n : ℕ
f : ↑s →₀ α
hf✝ : (Finsupp.total (↑s) α α Subtype.val) f = 1
hf : ∑ a ∈ f.support, f a * ↑a = 1
this✝ : 1 ∈ span ((fun i => (f i * ↑i) ^ (n + 1)) '' ↑f.support)
x : ↑s
left✝ : x ∈ ↑f.support
this : span {↑x ^ (n + 1)} ≤ span ((fun x => x ^ (n + 1)) '' s)
⊢ ↑x ^ (n + 1) ∣ f x ^ (n + 1) * ↑x ^ (n + 1)
state_after: no goals
tactic: exact ⟨f x ^ (n + 1), mul_comm _ _⟩