-- Mathlib/RingTheory/LittleWedderburn.lean
theorem center_eq_top [Finite D] (hD : InductionHyp D) : Subring.center D = ⊤

Proof state:
case intro.h.mk
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this✝¹ : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
hq : 1 < q
n : ℕ := finrank (↥Z) D
card_D : card D = q ^ n
h1qn : 1 ≤ q ^ n
Φₙ : ℤ[X] := cyclotomic n ℤ
key : ↑q - 1 + ↑(∑ x ∈ (ConjClasses.noncenter Dˣ).toFinset, x.carrier.toFinset.card) = ↑q ^ n - 1
i✝ : ConjClasses Dˣ
x : Dˣ
hx : ConjClasses.mk x ∈ ConjClasses.noncenter Dˣ
Zx : Subring D := Subring.centralizer {↑x}
hZx : Zx ≠ ⊤
this✝ : Field ↥Zx := hD.field ⋯
this : Algebra ↥Z ↥Zx := (Subring.inclusion ⋯).toAlgebra
d : ℕ := finrank ↥Z ↥Zx
card_Zx : card ↥Zx = q ^ d
⊢ eval (↑q) Φₙ ∣ ↑((q ^ n - 1) / card (↥Zx)ˣ)

Tactic:
have h1qd : 1 ≤ q ^ d := by rw [← card_Zx]; exact card_pos

Result:
case intro.h.mk
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this✝¹ : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
hq : 1 < q
n : ℕ := finrank (↥Z) D
card_D : card D = q ^ n
h1qn : 1 ≤ q ^ n
Φₙ : ℤ[X] := cyclotomic n ℤ
key : ↑q - 1 + ↑(∑ x ∈ (ConjClasses.noncenter Dˣ).toFinset, x.carrier.toFinset.card) = ↑q ^ n - 1
i✝ : ConjClasses Dˣ
x : Dˣ
hx : ConjClasses.mk x ∈ ConjClasses.noncenter Dˣ
Zx : Subring D := Subring.centralizer {↑x}
hZx : Zx ≠ ⊤
this✝ : Field ↥Zx := hD.field ⋯
this : Algebra ↥Z ↥Zx := (Subring.inclusion ⋯).toAlgebra
d : ℕ := finrank ↥Z ↥Zx
card_Zx : card ↥Zx = q ^ d
h1qd : 1 ≤ q ^ d
⊢ eval (↑q) Φₙ ∣ ↑((q ^ n - 1) / card (↥Zx)ˣ)

Proof state:
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
hq : 1 < q
n : ℕ := finrank (↥Z) D
card_D : card D = q ^ n
h1qn : 1 ≤ q ^ n
Φₙ : ℤ[X] := cyclotomic n ℤ
key : ↑q - 1 + ↑(∑ x ∈ (ConjClasses.noncenter Dˣ).toFinset, x.carrier.toFinset.card) = ↑q ^ n - 1
i✝ : ConjClasses Dˣ
x : Dˣ
hx : ConjClasses.mk x ∈ ConjClasses.noncenter Dˣ
Zx : Subring D := Subring.centralizer {↑x}
hZx : Zx = ⊤
⊢ False

Tactic:
refine (ConjClasses.mk_bijOn (Dˣ)).mapsTo (Set.subset_center_units ?_) hx

Result:
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
hq : 1 < q
n : ℕ := finrank (↥Z) D
card_D : card D = q ^ n
h1qn : 1 ≤ q ^ n
Φₙ : ℤ[X] := cyclotomic n ℤ
key : ↑q - 1 + ↑(∑ x ∈ (ConjClasses.noncenter Dˣ).toFinset, x.carrier.toFinset.card) = ↑q ^ n - 1
i✝ : ConjClasses Dˣ
x : Dˣ
hx : ConjClasses.mk x ∈ ConjClasses.noncenter Dˣ
Zx : Subring D := Subring.centralizer {↑x}
hZx : Zx = ⊤
⊢ x ∈ Units.val ⁻¹' Set.center D

Proof state:
case intro
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
⊢ False

Tactic:
have hq : 1 < q := by rw [card_Z]; exact one_lt_card

Result:
case intro
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
hq : 1 < q
⊢ False

Proof state:
case intro.h.mk.h
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this✝² : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
hq : 1 < q
n : ℕ := finrank (↥Z) D
card_D : card D = q ^ n
h1qn : 1 ≤ q ^ n
Φₙ : ℤ[X] := cyclotomic n ℤ
key : ↑q - 1 + ↑(∑ x ∈ (ConjClasses.noncenter Dˣ).toFinset, x.carrier.toFinset.card) = ↑q ^ n - 1
i✝ : ConjClasses Dˣ
x : Dˣ
hx : ConjClasses.mk x ∈ ConjClasses.noncenter Dˣ
Zx : Subring D := Subring.centralizer {↑x}
hZx : Zx ≠ ⊤
this✝¹ : Field ↥Zx := hD.field ⋯
this✝ : Algebra ↥Z ↥Zx := (Subring.inclusion ⋯).toAlgebra
d : ℕ := finrank ↥Z ↥Zx
card_Zx : card ↥Zx = q ^ d
h1qd : 1 ≤ q ^ d
this : IsScalarTower (↥Z) (↥Zx) D
aux : ∀ {k : ℕ}, eval (↑q) (X ^ k - 1) = ↑q ^ k - 1
⊢ d ∈ n.properDivisors

Tactic:
refine Nat.mem_properDivisors.mpr ⟨⟨_, (finrank_mul_finrank Z Zx D).symm⟩, ?_⟩

Result:
case intro.h.mk.h
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this✝² : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
hq : 1 < q
n : ℕ := finrank (↥Z) D
card_D : card D = q ^ n
h1qn : 1 ≤ q ^ n
Φₙ : ℤ[X] := cyclotomic n ℤ
key : ↑q - 1 + ↑(∑ x ∈ (ConjClasses.noncenter Dˣ).toFinset, x.carrier.toFinset.card) = ↑q ^ n - 1
i✝ : ConjClasses Dˣ
x : Dˣ
hx : ConjClasses.mk x ∈ ConjClasses.noncenter Dˣ
Zx : Subring D := Subring.centralizer {↑x}
hZx : Zx ≠ ⊤
this✝¹ : Field ↥Zx := hD.field ⋯
this✝ : Algebra ↥Z ↥Zx := (Subring.inclusion ⋯).toAlgebra
d : ℕ := finrank ↥Z ↥Zx
card_Zx : card ↥Zx = q ^ d
h1qd : 1 ≤ q ^ d
this : IsScalarTower (↥Z) (↥Zx) D
aux : ∀ {k : ℕ}, eval (↑q) (X ^ k - 1) = ↑q ^ k - 1
⊢ d < n

Proof state:
case intro.h.mk
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
hq : 1 < q
n : ℕ := finrank (↥Z) D
card_D : card D = q ^ n
h1qn : 1 ≤ q ^ n
Φₙ : ℤ[X] := cyclotomic n ℤ
key : ↑q - 1 + ↑(∑ x ∈ (ConjClasses.noncenter Dˣ).toFinset, x.carrier.toFinset.card) = ↑q ^ n - 1
i✝ : ConjClasses Dˣ
x : Dˣ
hx : ConjClasses.mk x ∈ ConjClasses.noncenter Dˣ
Zx : Subring D := Subring.centralizer {↑x}
⊢ eval (↑q) Φₙ ∣ ↑((q ^ n - 1) / card (↥Zx)ˣ)

Tactic:
have hZx : Zx ≠ ⊤ := by
  by_contra! hZx
  refine (ConjClasses.mk_bijOn (Dˣ)).mapsTo (Set.subset_center_units ?_) hx
  exact Subring.centralizer_eq_top_iff_subset.mp hZx <| Set.mem_singleton _

Result:
case intro.h.mk
D : Type u_1
inst✝¹ : DivisionRing D
inst✝ : Finite D
hD : LittleWedderburn.InductionHyp D
val✝ : Fintype D
Z : Subring D := Subring.center D
hZ : Z ≠ ⊤
this : Field ↥Z := hD.field ⋯
q : ℕ := card ↥Z
card_Z : q = card ↥Z
hq : 1 < q
n : ℕ := finrank (↥Z) D
card_D : card D = q ^ n
h1qn : 1 ≤ q ^ n
Φₙ : ℤ[X] := cyclotomic n ℤ
key : ↑q - 1 + ↑(∑ x ∈ (ConjClasses.noncenter Dˣ).toFinset, x.carrier.toFinset.card) = ↑q ^ n - 1
i✝ : ConjClasses Dˣ
x : Dˣ
hx : ConjClasses.mk x ∈ ConjClasses.noncenter Dˣ
Zx : Subring D := Subring.centralizer {↑x}
hZx : Zx ≠ ⊤
⊢ eval (↑q) Φₙ ∣ ↑((q ^ n - 1) / card (↥Zx)ˣ)