Theorem: LieAlgebra.exists_isCartanSubalgebra_engel_of_finrank_le_card
File: Mathlib/Algebra/Lie/CartanExists.lean

Proof steps:
state_before: K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
⊢ ∃ x, (engel K x).IsCartanSubalgebra
state_after: case intro
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
⊢ ∃ x, (engel K x).IsCartanSubalgebra
tactic: obtain ⟨x, hx⟩ := exists_isRegular_of_finrank_le_card K L h
state_before: case intro
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
⊢ ∃ x, (engel K x).IsCartanSubalgebra
state_after: case h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
⊢ (engel K x).IsCartanSubalgebra
tactic: use x
state_before: case h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
⊢ (engel K x).IsCartanSubalgebra
state_after: case h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
⊢ IsNilpotent K ↥(engel K x)
tactic: refine ⟨?_, normalizer_engel _ _⟩
state_before: case h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
⊢ IsNilpotent K ↥(engel K x)
state_after: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
⊢ ∀ x_1 ∈ engel K x, engel K x ≤ engel K x_1
tactic: apply isNilpotent_of_forall_le_engel
state_before: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
⊢ ∀ x_1 ∈ engel K x, engel K x ≤ engel K x_1
state_after: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y : L
hy : y ∈ engel K x
⊢ engel K x ≤ engel K y
tactic: intro y hy
state_before: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y : L
hy : y ∈ engel K x
⊢ engel K x ≤ engel K y
state_after: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y : L
hy : y ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
⊢ engel K x ≤ engel K y
tactic: set Ex : {engel K z | z ∈ engel K x} := ⟨engel K x, x, self_mem_engel _ _, rfl⟩
state_before: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y : L
hy : y ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
⊢ engel K x ≤ engel K y
state_after: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y : L
hy : y ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
⊢ IsBot Ex
tactic: suffices IsBot Ex from @this ⟨engel K y, y, hy, rfl⟩
state_before: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y : L
hy : y ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
⊢ IsBot Ex
state_after: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y : L
hy : y ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
⊢ IsMin Ex
tactic: apply engel_isBot_of_isMin h (engel K x) Ex le_rfl
state_before: case h.h
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y : L
hy : y ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
⊢ IsMin Ex
state_after: case h.h.mk.intro.intro
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y✝ : L
hy✝ : y✝ ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
y : L
hy : y ∈ engel K x
hyx : ⟨engel K y, ⋯⟩ ≤ Ex
⊢ Ex ≤ ⟨engel K y, ⋯⟩
tactic: rintro ⟨_, y, hy, rfl⟩ hyx
state_before: case h.h.mk.intro.intro
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y✝ : L
hy✝ : y✝ ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
y : L
hy : y ∈ engel K x
hyx : ⟨engel K y, ⋯⟩ ≤ Ex
⊢ Ex ≤ ⟨engel K y, ⋯⟩
state_after: case h.h.mk.intro.intro
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y✝ : L
hy✝ : y✝ ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
y : L
hy : y ∈ engel K x
hyx : ⟨engel K y, ⋯⟩ ≤ Ex
⊢ finrank K ↥(engel K x) ≤ finrank K ↥(engel K y)
tactic: suffices finrank K (engel K x) ≤ finrank K (engel K y) by
    suffices engel K y = engel K x from this.ge
    apply LieSubalgebra.to_submodule_injective
    exact eq_of_le_of_finrank_le hyx this
state_before: case h.h.mk.intro.intro
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y✝ : L
hy✝ : y✝ ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
y : L
hy : y ∈ engel K x
hyx : ⟨engel K y, ⋯⟩ ≤ Ex
⊢ finrank K ↥(engel K x) ≤ finrank K ↥(engel K y)
state_after: case h.h.mk.intro.intro
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y✝ : L
hy✝ : y✝ ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
y : L
hy : y ∈ engel K x
hyx : ⟨engel K y, ⋯⟩ ≤ Ex
⊢ rank K L ≤ finrank K ↥(engel K y)
tactic: rw [(isRegular_iff_finrank_engel_eq_rank K x).mp hx]
state_before: case h.h.mk.intro.intro
K : Type u_1
L : Type u_2
inst✝³ : Field K
inst✝² : LieRing L
inst✝¹ : LieAlgebra K L
inst✝ : Module.Finite K L
h : ↑(finrank K L) ≤ #K
x : L
hx : IsRegular K x
y✝ : L
hy✝ : y✝ ∈ engel K x
Ex : ↑{x_1 | ∃ z ∈ engel K x, engel K z = x_1} := ⟨engel K x, ⋯⟩
y : L
hy : y ∈ engel K x
hyx : ⟨engel K y, ⋯⟩ ≤ Ex
⊢ rank K L ≤ finrank K ↥(engel K y)
state_after: no goals
tactic: apply rank_le_finrank_engel