-- Mathlib/NumberTheory/PellMatiyasevic.lean
theorem matiyasevic {a k x y} :
    (∃ a1 : 1 < a, xn a1 k = x ∧ yn a1 k = y) ↔
      1 < a ∧ k ≤ y ∧ (x = 1 ∧ y = 0 ∨
        ∃ u v s t b : ℕ,
          x * x - (a * a - 1) * y * y = 1 ∧ u * u - (a * a - 1) * v * v = 1 ∧
          s * s - (b * b - 1) * t * t = 1 ∧ 1 < b ∧ b ≡ 1 [MOD 4 * y] ∧
          b ≡ a [MOD u] ∧ 0 < v ∧ y * y ∣ v ∧ s ≡ x [MOD u] ∧ t ≡ k [MOD 4 * y]) :=
  ⟨fun ⟨a1, hx, hy⟩ => by
    rw [← hx, ← hy]
    refine ⟨a1,
        (Nat.eq_zero_or_pos k).elim (fun k0 => by rw [k0]; exact ⟨le_rfl, Or.inl ⟨rfl, rfl⟩⟩)
          fun kpos => ?_⟩
    exact
      let x := xn a1 k
      let y := yn a1 k
      let m := 2 * (k * y)
      let u := xn a1 m
      let v := yn a1 m
      have ky : k ≤ y := yn_ge_n a1 k
      have yv : y * y ∣ v := (ysq_dvd_yy a1 k).trans <| (y_dvd_iff _ _ _).2 <| dvd_mul_left _ _
      have uco : Nat.Coprime u (4 * y) :=
        have : 2 ∣ v :=
          modEq_zero_iff_dvd.1 <| (yn_modEq_two _ _).trans (dvd_mul_right _ _).modEq_zero_nat
        have : Nat.Coprime u 2 := (xy_coprime a1 m).coprime_dvd_right this
        (this.mul_right this).mul_right <|
          (xy_coprime _ _).coprime_dvd_right (dvd_of_mul_left_dvd yv)
      let ⟨b, ba, bm1⟩ := chineseRemainder uco a 1
      have m1 : 1 < m :=
        have : 0 < k * y := mul_pos kpos (strictMono_y a1 kpos)
        Nat.mul_le_mul_left 2 this
      have vp : 0 < v := strictMono_y a1 (lt_trans zero_lt_one m1)
      have b1 : 1 < b :=
        have : xn a1 1 < u := strictMono_x a1 m1
        have : a < u

Proof state:
a k x✝¹ y✝ : ℕ
x✝ : ∃ (a1 : 1 < a), xn a1 k = x✝¹ ∧ yn a1 k = y✝
a1 : 1 < a
hx : xn a1 k = x✝¹
hy : yn a1 k = y✝
kpos : k > 0
x : ℕ := xn a1 k
y : ℕ := yn a1 k
m : ℕ := 2 * (k * y)
u : ℕ := xn a1 m
v : ℕ := yn a1 m
ky : k ≤ y
yv : y * y ∣ v
uco : u.Coprime (4 * y)
b : ℕ
ba : b % u = a
bm1 : b ≡ 1 [MOD 4 * y]
m1 : 1 < m
vp : 0 < v
this✝ : xn a1 1 < u
this : a < u
⊢ a ≤ b

Tactic:
rw [← ba]

Result:
a k x✝¹ y✝ : ℕ
x✝ : ∃ (a1 : 1 < a), xn a1 k = x✝¹ ∧ yn a1 k = y✝
a1 : 1 < a
hx : xn a1 k = x✝¹
hy : yn a1 k = y✝
kpos : k > 0
x : ℕ := xn a1 k
y : ℕ := yn a1 k
m : ℕ := 2 * (k * y)
u : ℕ := xn a1 m
v : ℕ := yn a1 m
ky : k ≤ y
yv : y * y ∣ v
uco : u.Coprime (4 * y)
b : ℕ
ba : b % u = a
bm1 : b ≡ 1 [MOD 4 * y]
m1 : 1 < m
vp : 0 < v
this✝ : xn a1 1 < u
this : a < u
⊢ b % u ≤ b

Proof state:
a k x✝¹ y✝ : ℕ
x✝ : ∃ (a1 : 1 < a), xn a1 k = x✝¹ ∧ yn a1 k = y✝
a1 : 1 < a
hx : xn a1 k = x✝¹
hy : yn a1 k = y✝
kpos : k > 0
x : ℕ := xn a1 k
y : ℕ := yn a1 k
m : ℕ := 2 * (k * y)
u : ℕ := xn a1 m
v : ℕ := yn a1 m
ky : k ≤ y
yv : y * y ∣ v
uco : u.Coprime (4 * y)
b : ℕ
ba : b ≡ a [MOD u]
bm1 : b ≡ 1 [MOD 4 * y]
m1 : 1 < m
vp : 0 < v
b1 : 1 < b
s : ℕ := xn b1 k
t : ℕ := yn b1 k
sx : s ≡ x [MOD u]
⊢ ↑(4 * y) ∣ ↑(b - 1)

Tactic:
rw [Int.ofNat_sub (le_of_lt b1)]

Result:
a k x✝¹ y✝ : ℕ
x✝ : ∃ (a1 : 1 < a), xn a1 k = x✝¹ ∧ yn a1 k = y✝
a1 : 1 < a
hx : xn a1 k = x✝¹
hy : yn a1 k = y✝
kpos : k > 0
x : ℕ := xn a1 k
y : ℕ := yn a1 k
m : ℕ := 2 * (k * y)
u : ℕ := xn a1 m
v : ℕ := yn a1 m
ky : k ≤ y
yv : y * y ∣ v
uco : u.Coprime (4 * y)
b : ℕ
ba : b ≡ a [MOD u]
bm1 : b ≡ 1 [MOD 4 * y]
m1 : 1 < m
vp : 0 < v
b1 : 1 < b
s : ℕ := xn b1 k
t : ℕ := yn b1 k
sx : s ≡ x [MOD u]
⊢ ↑(4 * y) ∣ ↑b - ↑1

Proof state:
a k x y : ℕ
a1 : 1 < a
ky✝ : k ≤ y
u v s t b : ℕ
b1 : 1 < b
i n j : ℕ
bm1 : b ≡ 1 [MOD 4 * yn a1 i]
ba : b ≡ a [MOD xn a1 n]
vp : 0 < yn a1 n
yv : yn a1 i * yn a1 i ∣ yn a1 n
sx : xn b1 j ≡ xn a1 i [MOD xn a1 n]
tk : yn b1 j ≡ k [MOD 4 * yn a1 i]
ky : k ≤ yn a1 i
x✝ :
  1 < a ∧
    k ≤ yn a1 i ∧
      (xn a1 i = 1 ∧ yn a1 i = 0 ∨
        ∃ u v s t b,
          xn a1 i * xn a1 i - (a * a - 1) * yn a1 i * yn a1 i = 1 ∧
            u * u - (a * a - 1) * v * v = 1 ∧
              s * s - (b * b - 1) * t * t = 1 ∧
                1 < b ∧
                  b ≡ 1 [MOD 4 * yn a1 i] ∧
                    b ≡ a [MOD u] ∧ 0 < v ∧ yn a1 i * yn a1 i ∣ v ∧ s ≡ xn a1 i [MOD u] ∧ t ≡ k [MOD 4 * yn a1 i])
ipos : i > 0
iln : i ≤ n
yd : 4 * yn a1 i ∣ 4 * n
jk : j ≡ k [MOD 4 * yn a1 i]
⊢ yn a1 i + yn a1 i < 4 * yn a1 i

Tactic:
rw [← two_mul]

Result:
a k x y : ℕ
a1 : 1 < a
ky✝ : k ≤ y
u v s t b : ℕ
b1 : 1 < b
i n j : ℕ
bm1 : b ≡ 1 [MOD 4 * yn a1 i]
ba : b ≡ a [MOD xn a1 n]
vp : 0 < yn a1 n
yv : yn a1 i * yn a1 i ∣ yn a1 n
sx : xn b1 j ≡ xn a1 i [MOD xn a1 n]
tk : yn b1 j ≡ k [MOD 4 * yn a1 i]
ky : k ≤ yn a1 i
x✝ :
  1 < a ∧
    k ≤ yn a1 i ∧
      (xn a1 i = 1 ∧ yn a1 i = 0 ∨
        ∃ u v s t b,
          xn a1 i * xn a1 i - (a * a - 1) * yn a1 i * yn a1 i = 1 ∧
            u * u - (a * a - 1) * v * v = 1 ∧
              s * s - (b * b - 1) * t * t = 1 ∧
                1 < b ∧
                  b ≡ 1 [MOD 4 * yn a1 i] ∧
                    b ≡ a [MOD u] ∧ 0 < v ∧ yn a1 i * yn a1 i ∣ v ∧ s ≡ xn a1 i [MOD u] ∧ t ≡ k [MOD 4 * yn a1 i])
ipos : i > 0
iln : i ≤ n
yd : 4 * yn a1 i ∣ 4 * n
jk : j ≡ k [MOD 4 * yn a1 i]
⊢ 2 * yn a1 i < 4 * yn a1 i

Proof state:
a k x y : ℕ
x✝ : ∃ (a1 : 1 < a), xn a1 k = x ∧ yn a1 k = y
a1 : 1 < a
hx : xn a1 k = x
hy : yn a1 k = y
kpos : k > 0
⊢ k ≤ yn a1 k ∧
    (xn a1 k = 1 ∧ yn a1 k = 0 ∨
      ∃ u v s t b,
        xn a1 k * xn a1 k - (a * a - 1) * yn a1 k * yn a1 k = 1 ∧
          u * u - (a * a - 1) * v * v = 1 ∧
            s * s - (b * b - 1) * t * t = 1 ∧
              1 < b ∧
                b ≡ 1 [MOD 4 * yn a1 k] ∧
                  b ≡ a [MOD u] ∧ 0 < v ∧ yn a1 k * yn a1 k ∣ v ∧ s ≡ xn a1 k [MOD u] ∧ t ≡ k [MOD 4 * yn a1 k])

Tactic:
exact
  let x := xn a1 k
  let y := yn a1 k
  let m := 2 * (k * y)
  let u := xn a1 m
  let v := yn a1 m
  have ky : k ≤ y := yn_ge_n a1 k
  have yv : y * y ∣ v := (ysq_dvd_yy a1 k).trans <| (y_dvd_iff _ _ _).2 <| dvd_mul_left _ _
  have uco : Nat.Coprime u (4 * y) :=
    have : 2 ∣ v :=
      modEq_zero_iff_dvd.1 <| (yn_modEq_two _ _).trans (dvd_mul_right _ _).modEq_zero_nat
    have : Nat.Coprime u 2 := (xy_coprime a1 m).coprime_dvd_right this
    (this.mul_right this).mul_right <|
      (xy_coprime _ _).coprime_dvd_right (dvd_of_mul_left_dvd yv)
  let ⟨b, ba, bm1⟩ := chineseRemainder uco a 1
  have m1 : 1 < m :=
    have : 0 < k * y := mul_pos kpos (strictMono_y a1 kpos)
    Nat.mul_le_mul_left 2 this
  have vp : 0 < v := strictMono_y a1 (lt_trans zero_lt_one m1)
  have b1 : 1 < b :=
    have : xn a1 1 < u := strictMono_x a1 m1
    have : a < u := by simpa using this
    lt_of_lt_of_le a1 <| by
      delta ModEq at ba; rw [Nat.mod_eq_of_lt this] at ba; rw [← ba]
      apply Nat.mod_le
  let s := xn b1 k
  let t := yn b1 k
  have sx : s ≡ x [MOD u] := (xy_modEq_of_modEq b1 a1 ba k).left
  have tk : t ≡ k [MOD 4 * y] :=
    have : 4 * y ∣ b - 1 :=
      Int.natCast_dvd_natCast.1 <| by rw [Int.ofNat_sub (le_of_lt b1)]; exact bm1.symm.dvd
    (yn_modEq_a_sub_one _ _).of_dvd this
  ⟨ky,
    Or.inr
      ⟨u, v, s, t, b, pell_eq _ _, pell_eq _ _, pell_eq _ _, b1, bm1, ba, vp, yv, sx, tk⟩⟩

Result:
no goals

Proof state:
a k x y : ℕ
x✝ :
  1 < a ∧
    k ≤ y ∧
      (x = 1 ∧ y = 0 ∨
        ∃ u v s t b,
          x * x - (a * a - 1) * y * y = 1 ∧
            u * u - (a * a - 1) * v * v = 1 ∧
              s * s - (b * b - 1) * t * t = 1 ∧
                1 < b ∧ b ≡ 1 [MOD 4 * y] ∧ b ≡ a [MOD u] ∧ 0 < v ∧ y * y ∣ v ∧ s ≡ x [MOD u] ∧ t ≡ k [MOD 4 * y])
a1 : 1 < a
ky : k ≤ 0
o :
  x = 1 ∧ y = 0 ∨
    ∃ u v s t b,
      x * x - (a * a - 1) * y * y = 1 ∧
        u * u - (a * a - 1) * v * v = 1 ∧
          s * s - (b * b - 1) * t * t = 1 ∧
            1 < b ∧ b ≡ 1 [MOD 4 * y] ∧ b ≡ a [MOD u] ∧ 0 < v ∧ y * y ∣ v ∧ s ≡ x [MOD u] ∧ t ≡ k [MOD 4 * y]
x1 : x = 1
y0 : y = 0
⊢ xn a1 0 = 1 ∧ yn a1 0 = 0

Tactic:
exact ⟨rfl, rfl⟩

Result:
no goals