Theorem: Pell.IsFundamental.eq_pow_of_nonneg
File: Mathlib/NumberTheory/Pell.lean

tactic: lift a.x to ℕ using hax.le with ax hax'
state_before: d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
hax : 0 < a.x
hay : 0 ≤ a.y
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
ax : ℕ
hax' : ↑ax = a.x
hax✝ hax : 0 < ↑ax
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: clear hax
state_before: case intro
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
ax : ℕ
hax' : ↑ax = a.x
hax✝ hax : 0 < ↑ax
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
ax : ℕ
hax' : ↑ax = a.x
hax : 0 < ↑ax
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: induction' ax using Nat.strong_induction_on with x ih generalizing a
state_before: case intro
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
ax : ℕ
hax' : ↑ax = a.x
hax : 0 < ↑ax
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro.h
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: rcases hay.eq_or_lt with hy | hy
state_before: case intro.h
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro.h.inl
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: refine ⟨0, ?_⟩
state_before: case intro.h.inl
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro.h.inl
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ a = a₁ ^ 0

tactic: simp only [pow_zero]
state_before: case intro.h.inl
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ a = a₁ ^ 0
state_after: case intro.h.inl
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ a = 1

tactic: ext <;> simp only [x_one, y_one]
state_before: case intro.h.inl
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ a = 1
state_after: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ a.x = 1

case intro.h.inl.hy
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ a.y = 0

tactic: have prop := a.prop
state_before: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ a.x = 1
state_after: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
prop : a.x ^ 2 - d * a.y ^ 2 = 1
⊢ a.x = 1

tactic: rw [← hy, sq (0 : ℤ), zero_mul, mul_zero, sub_zero,
  sq_eq_one_iff] at prop
state_before: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
prop : a.x ^ 2 - d * a.y ^ 2 = 1
⊢ a.x = 1
state_after: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
prop : a.x = 1 ∨ a.x = -1
⊢ a.x = 1

tactic: refine prop.resolve_right fun hf => ?_
state_before: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
prop : a.x = 1 ∨ a.x = -1
⊢ a.x = 1
state_after: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
prop : a.x = 1 ∨ a.x = -1
hf : a.x = -1
⊢ False

tactic: have := (hax.trans_eq hax').le.trans_eq hf
state_before: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
prop : a.x = 1 ∨ a.x = -1
hf : a.x = -1
⊢ False
state_after: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
prop : a.x = 1 ∨ a.x = -1
hf : a.x = -1
this : 0 ≤ -1
⊢ False

tactic: norm_num at this
state_before: case intro.h.inl.hx
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
prop : a.x = 1 ∨ a.x = -1
hf : a.x = -1
this : 0 ≤ -1
⊢ False
state_after: no goals

tactic: exact hy.symm
state_before: case intro.h.inl.hy
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 = a.y
⊢ a.y = 0
state_after: no goals

tactic: have hx₁ : 1 < a.x := by nlinarith [a.prop, h.d_pos]
state_before: case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: have hxx₁ := h.mul_inv_x_pos hx₁ hy
state_before: case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hxx₁ : 0 < (a * a₁⁻¹).x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: have hxx₂ := h.mul_inv_x_lt_x hx₁ hy
state_before: case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hxx₁ : 0 < (a * a₁⁻¹).x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hxx₁ : 0 < (a * a₁⁻¹).x
hxx₂ : (a * a₁⁻¹).x < a.x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: have hyy := h.mul_inv_y_nonneg hx₁ hy
state_before: case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hxx₁ : 0 < (a * a₁⁻¹).x
hxx₂ : (a * a₁⁻¹).x < a.x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hxx₁ : 0 < (a * a₁⁻¹).x
hxx₂ : (a * a₁⁻¹).x < a.x
hyy : 0 ≤ (a * a₁⁻¹).y
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: lift (a * a₁⁻¹).x to ℕ using hxx₁.le with x' hx'
state_before: case intro.h.inr
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hxx₁ : 0 < (a * a₁⁻¹).x
hxx₂ : (a * a₁⁻¹).x < a.x
hyy : 0 ≤ (a * a₁⁻¹).y
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro.h.inr.intro
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hyy : 0 ≤ (a * a₁⁻¹).y
x' : ℕ
hx' : ↑x' = (a * a₁⁻¹).x
hxx₁✝ hxx₁ : 0 < ↑x'
hxx₂✝ hxx₂ : ↑x' < a.x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: obtain ⟨n, hn⟩ := ih x' (mod_cast hxx₂.trans_eq hax'.symm) hyy hx' hxx₁
state_before: case intro.h.inr.intro
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hyy : 0 ≤ (a * a₁⁻¹).y
x' : ℕ
hx' : ↑x' = (a * a₁⁻¹).x
hxx₁✝ hxx₁ : 0 < ↑x'
hxx₂✝ hxx₂ : ↑x' < a.x
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: case intro.h.inr.intro.intro
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hyy : 0 ≤ (a * a₁⁻¹).y
x' : ℕ
hx' : ↑x' = (a * a₁⁻¹).x
hxx₁✝ hxx₁ : 0 < ↑x'
hxx₂✝ hxx₂ : ↑x' < a.x
n : ℕ
hn : a * a₁⁻¹ = a₁ ^ n
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n

tactic: exact ⟨n + 1, by rw [pow_succ', ← hn, mul_comm a, ← mul_assoc, mul_inv_self, one_mul]⟩
state_before: case intro.h.inr.intro.intro
d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hyy : 0 ≤ (a * a₁⁻¹).y
x' : ℕ
hx' : ↑x' = (a * a₁⁻¹).x
hxx₁✝ hxx₁ : 0 < ↑x'
hxx₂✝ hxx₂ : ↑x' < a.x
n : ℕ
hn : a * a₁⁻¹ = a₁ ^ n
⊢ ∃ n, a = a₁ ^ n
state_after: no goals

tactic: nlinarith [a.prop, h.d_pos]
state_before: d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
⊢ 1 < a.x
state_after: no goals

tactic: rw [pow_succ', ← hn, mul_comm a, ← mul_assoc, mul_inv_self, one_mul]
state_before: d : ℤ
a₁ : Solution₁ d
h : IsFundamental a₁
x : ℕ
ih : ∀ m < x, ∀ {a : Solution₁ d}, 0 ≤ a.y → ↑m = a.x → 0 < ↑m → ∃ n, a = a₁ ^ n
a : Solution₁ d
hay : 0 ≤ a.y
hax' : ↑x = a.x
hax : 0 < ↑x
hy : 0 < a.y
hx₁ : 1 < a.x
hyy : 0 ≤ (a * a₁⁻¹).y
x' : ℕ
hx' : ↑x' = (a * a₁⁻¹).x
hxx₁✝ hxx₁ : 0 < ↑x'
hxx₂✝ hxx₂ : ↑x' < a.x
n : ℕ
hn : a * a₁⁻¹ = a₁ ^ n
⊢ a = a₁ ^ (n + 1)
state_after: no goals