-- Mathlib/GroupTheory/SpecificGroups/ZGroup.lean
theorem smul_mul_inv_trivial_or_surjective [IsCyclic G] (hG : IsPGroup p G)
    {K : Type*} [Group K] [MulDistribMulAction K G] (hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)) :
    (∀ g : G, ∀ k : K, k • g * g⁻¹ = 1) ∨ (∀ g : G, ∃ k : K, ∃ q : G, k • q * q⁻¹ = g)

Proof state:
case neg
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Tactic:
have h (g : G) (k : K) (n : ℤ) (h : ϕ k - 1 = n) : k • g * g⁻¹ = g ^ n := by
  rw [sub_eq_iff_eq_add, ← Int.cast_one, ← Int.cast_add] at h
  rw [MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic_apply rfl k g (n + 1) h,
    zpow_add_one, mul_inv_cancel_right]

Result:
case neg
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Proof state:
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
g : G
k : K
n : ℤ
h : ϕ k = ↑(n + 1)
⊢ k • g * g⁻¹ = g ^ n

Tactic:
rw [MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic_apply rfl k g (n + 1) h,
  zpow_add_one, mul_inv_cancel_right]

Result:
no goals

Proof state:
case neg
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Tactic:
have := Nat.finite_of_card_ne_zero hc

Result:
case neg
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Proof state:
case neg.inl
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
hϕ : ∀ (a : K), ϕ a = 1
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Tactic:
exact Or.inl fun p k ↦ by rw [h p k 0 (by rw [hϕ, sub_self, Int.cast_zero]), zpow_zero]

Result:
no goals

Proof state:
case neg
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Tactic:
replace hG k : ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1) := by
  obtain ⟨n, hn⟩ := hG.exists_card_eq
  exact ZMod.eq_one_or_isUnit_sub_one hn (ϕ k)
    (hGK.symm.coprime_dvd_left ((orderOf_map_dvd ϕ k).trans (orderOf_dvd_natCard k)))

Result:
case neg
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Proof state:
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p✝ : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p✝)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
hϕ : ∀ (a : K), ϕ a = 1
p : G
k : K
⊢ ϕ k - 1 = ↑0

Tactic:
rw [hϕ, sub_self, Int.cast_zero]

Result:
no goals

Proof state:
case neg.inr.intro
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
k : K
hk : ¬ϕ k = 1
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Tactic:
obtain ⟨⟨u, v, -, hvu⟩, hu : u = ϕ k - 1⟩ := (hG k).resolve_left hk

Result:
case neg.inr.intro.intro.mk
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
k : K
hk : ¬ϕ k = 1
u v : ZMod (Nat.card G)
hvu : v * u = 1
hu : u = ϕ k - 1
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Proof state:
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
g : G
k : K
n : ℤ
h : ϕ k - 1 = ↑n
⊢ k • g * g⁻¹ = g ^ n

Tactic:
rw [sub_eq_iff_eq_add, ← Int.cast_one, ← Int.cast_add] at h

Result:
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
g : G
k : K
n : ℤ
h : ϕ k = ↑(n + 1)
⊢ k • g * g⁻¹ = g ^ n