Theorem: Module.Dual.eq_of_preReflection_mapsTo
File: Mathlib/LinearAlgebra/Reflection.lean

Proof steps:
state_before: R : Type u_1
M : Type u_2
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
x✝ : M
f✝ : Dual R M
y : M
inst✝¹ : CharZero R
inst✝ : NoZeroSMulDivisors R M
x : M
hx : x ≠ 0
Φ : Set M
hΦ₁ : Φ.Finite
hΦ₂ : span R Φ = ⊤
f g : Dual R M
hf₁ : f x = 2
hf₂ : MapsTo (⇑(preReflection x f)) Φ Φ
hg₁ : g x = 2
hg₂ : MapsTo (⇑(preReflection x g)) Φ Φ
⊢ f = g
state_after: R : Type u_1
M : Type u_2
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
x✝ : M
f✝ : Dual R M
y : M
inst✝¹ : CharZero R
inst✝ : NoZeroSMulDivisors R M
x : M
hx : x ≠ 0
Φ : Set M
hΦ₁ : Φ.Finite
hΦ₂ : span R Φ = ⊤
f g : Dual R M
hf₁ : f x = 2
hf₂ : MapsTo (⇑(preReflection x f)) Φ Φ
hg₁ : g x = 2
hg₂ : MapsTo (⇑(preReflection x g)) Φ Φ
u : M ≃ₗ[R] M := reflection hg₁ * reflection hf₁
⊢ f = g
tactic: let u := reflection hg₁ * reflection hf₁
state_before: R : Type u_1
M : Type u_2
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
x✝ : M
f✝ : Dual R M
y : M
inst✝¹ : CharZero R
inst✝ : NoZeroSMulDivisors R M
x : M
hx : x ≠ 0
Φ : Set M
hΦ₁ : Φ.Finite
hΦ₂ : span R Φ = ⊤
f g : Dual R M
hf₁ : f x = 2
hf₂ : MapsTo (⇑(preReflection x f)) Φ Φ
hg₁ : g x = 2
hg₂ : MapsTo (⇑(preReflection x g)) Φ Φ
u : M ≃ₗ[R] M := reflection hg₁ * reflection hf₁
⊢ f = g
state_after: R : Type u_1
M : Type u_2
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
x✝ : M
f✝ : Dual R M
y : M
inst✝¹ : CharZero R
inst✝ : NoZeroSMulDivisors R M
x : M
hx : x ≠ 0
Φ : Set M
hΦ₁ : Φ.Finite
hΦ₂ : span R Φ = ⊤
f g : Dual R M
hf₁ : f x = 2
hf₂ : MapsTo (⇑(preReflection x f)) Φ Φ
hg₁ : g x = 2
hg₂ : MapsTo (⇑(preReflection x g)) Φ Φ
u : M ≃ₗ[R] M := reflection hg₁ * reflection hf₁
hu : ↑u = LinearMap.id + LinearMap.smulRight (f - g) x
⊢ f = g
tactic: have hu : u = LinearMap.id (R := R) (M := M) + (f - g).smulRight x := by
    ext y
    simp only [u, reflection_apply, hg₁, two_smul, LinearEquiv.coe_toLinearMap_mul,
      LinearMap.id_coe, LinearEquiv.coe_coe, LinearMap.mul_apply, LinearMap.add_apply, id_eq,
      LinearMap.coe_smulRight, LinearMap.sub_apply, map_sub, map_smul, sub_add_cancel_left,
      smul_neg, sub_neg_eq_add, sub_smul]
    abel
state_before: R : Type u_1
M : Type u_2
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
x✝ : M
f✝ : Dual R M
y : M
inst✝¹ : CharZero R
inst✝ : NoZeroSMulDivisors R M
x : M
hx : x ≠ 0
Φ : Set M
hΦ₁ : Φ.Finite
hΦ₂ : span R Φ = ⊤
f g : Dual R M
hf₁ : f x = 2
hf₂ : MapsTo (⇑(preReflection x f)) Φ Φ
hg₁ : g x = 2
hg₂ : MapsTo (⇑(preReflection x g)) Φ Φ
u : M ≃ₗ[R] M := reflection hg₁ * reflection hf₁
hu : ↑u = LinearMap.id + LinearMap.smulRight (f - g) x
⊢ f = g
state_after: R : Type u_1
M : Type u_2
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
x✝ : M
f✝ : Dual R M
y : M
inst✝¹ : CharZero R
inst✝ : NoZeroSMulDivisors R M
x : M
hx : x ≠ 0
Φ : Set M
hΦ₁ : Φ.Finite
hΦ₂ : span R Φ = ⊤
f g : Dual R M
hf₁ : f x = 2
hf₂ : MapsTo (⇑(preReflection x f)) Φ Φ
hg₁ : g x = 2
hg₂ : MapsTo (⇑(preReflection x g)) Φ Φ
u : M ≃ₗ[R] M := reflection hg₁ * reflection hf₁
hu : ∀ (n : ℕ), ↑(u ^ n) = LinearMap.id + ↑n • LinearMap.smulRight (f - g) x
⊢ f = g
tactic: replace hu : ∀ (n : ℕ),
      ↑(u ^ n) = LinearMap.id (R := R) (M := M) + (n : R) • (f - g).smulRight x := by
    intros n
    induction n with
    | zero => simp
    | succ n ih =>
      have : ((f - g).smulRight x).comp ((n : R) • (f - g).smulRight x) = 0 := by
        ext; simp [hf₁, hg₁]
      rw [pow_succ', LinearEquiv.coe_toLinearMap_mul, ih, hu, add_mul, mul_add, mul_add]
      simp_rw [LinearMap.mul_eq_comp, LinearMap.comp_id, LinearMap.id_comp, this, add_zero,
        add_assoc, Nat.cast_succ, add_smul, one_smul]
state_before: R : Type u_1
M : Type u_2
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
x✝ : M
f✝ : Dual R M
y : M
inst✝¹ : CharZero R
inst✝ : NoZeroSMulDivisors R M
x : M
hx : x ≠ 0
Φ : Set M
hΦ₁ : Φ.Finite
hΦ₂ : span R Φ = ⊤
f g : Dual R M
hf₁ : f x = 2
hf₂ : MapsTo (⇑(preReflection x f)) Φ Φ
hg₁ : g x = 2
hg₂ : MapsTo (⇑(preReflection x g)) Φ Φ
u : M ≃ₗ[R] M := reflection hg₁ * reflection hf₁
hu : ∀ (n : ℕ), ↑(u ^ n) = LinearMap.id + ↑n • LinearMap.smulRight (f - g) x
⊢ f = g
state_after: R : Type u_1
M : Type u_2
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
x✝ : M
f✝ : Dual R M
y : M
inst✝¹ : CharZero R
inst✝ : NoZeroSMulDivisors R M
x : M
hx : x ≠ 0
Φ : Set M
hΦ₁ : Φ.Finite
hΦ₂ : span R Φ = ⊤
f g : Dual R M
hf₁ : f x = 2
hf₂ : MapsTo (⇑(preReflection x f)) Φ Φ
hg₁ : g x = 2
hg₂ : MapsTo (⇑(preReflection x g)) Φ Φ
u : M ≃ₗ[R] M := reflection hg₁ * reflection hf₁
hu : ∀ (n : ℕ), ↑(u ^ n) = LinearMap.id + ↑n • LinearMap.smulRight (f - g) x
⊢ IsOfFinOrder u
tactic: suffices IsOfFinOrder u by
    obtain ⟨n, hn₀, hn₁⟩ := isOfFinOrder_iff_pow_eq_one.mp this
    replace hn₁ : (↑(u ^ n) : M →ₗ[R] M) = LinearMap.id := LinearEquiv.toLinearMap_inj.mpr hn₁
    simpa [hn₁, hn₀.ne', hx, sub_eq_zero] using hu n
state_before: R : Type u_1
M : Type u_2
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : AddCommGroup M
inst✝² : Module R M
x✝ : M
f✝ : Dual R M
y : M
inst✝¹ : CharZero R
inst✝ : NoZeroSMulDivisors R M
x : M
hx : x ≠ 0
Φ : Set M
hΦ₁ : Φ.Finite
hΦ₂ : span R Φ = ⊤
f g : Dual R M
hf₁ : f x = 2
hf₂ : MapsTo (⇑(preReflection x f)) Φ Φ
hg₁ : g x = 2
hg₂ : MapsTo (⇑(preReflection x g)) Φ Φ
u : M ≃ₗ[R] M := reflection hg₁ * reflection hf₁
hu : ∀ (n : ℕ), ↑(u ^ n) = LinearMap.id + ↑n • LinearMap.smulRight (f - g) x
⊢ IsOfFinOrder u
state_after: no goals
tactic: exact u.isOfFinOrder_of_finite_of_span_eq_top_of_mapsTo hΦ₁ hΦ₂ (hg₂.comp hf₂)