-- Mathlib/ModelTheory/ElementaryMaps.lean
theorem isElementary_of_exists (f : M ↪[L] N)
    (htv :
      ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
        φ.Realize default (Fin.snoc (f ∘ x) a : _ → N) →
          ∃ b : M, φ.Realize default (Fin.snoc (f ∘ x) (f b) : _ → N)) :
    ∀ {n} (φ : L.Formula (Fin n)) (x : Fin n → M), φ.Realize (f ∘ x) ↔ φ.Realize x

Proof state:
case refine_5
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n✝ : ℕ
φ✝ : L.BoundedFormula Empty n✝
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)
ih : ∀ (xs : Fin (n + 1) → M), φ.Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ φ.Realize default xs
xs : Fin n → M
⊢ (∀'φ).Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ (∀'φ).Realize default xs

Tactic:
simp only [BoundedFormula.realize_all]

Result:
case refine_5
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n✝ : ℕ
φ✝ : L.BoundedFormula Empty n✝
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)
ih : ∀ (xs : Fin (n + 1) → M), φ.Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ φ.Realize default xs
xs : Fin n → M
⊢ (∀ (a : N), φ.Realize (⇑f ∘ default) (Fin.snoc (⇑f ∘ xs) a)) ↔ ∀ (a : M), φ.Realize default (Fin.snoc xs a)

Proof state:
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
⊢ ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty n) (xs : Fin n → M), φ.Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ φ.Realize default xs

Tactic:
refine fun n φ => φ.recOn ?_ ?_ ?_ ?_ ?_

Result:
case refine_1
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty n
⊢ ∀ {n : ℕ} (xs : Fin n → M),
    BoundedFormula.falsum.Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ BoundedFormula.falsum.Realize default xs

case refine_2
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty n
⊢ ∀ {n : ℕ} (t₁ t₂ : L.Term (Empty ⊕ Fin n)) (xs : Fin n → M),
    (BoundedFormula.equal t₁ t₂).Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ (BoundedFormula.equal t₁ t₂).Realize default xs

case refine_3
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty n
⊢ ∀ {n l : ℕ} (R : L.Relations l) (ts : Fin l → L.Term (Empty ⊕ Fin n)) (xs : Fin n → M),
    (BoundedFormula.rel R ts).Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ (BoundedFormula.rel R ts).Realize default xs

case refine_4
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty n
⊢ ∀ {n : ℕ} (f₁ f₂ : L.BoundedFormula Empty n),
    (∀ (xs : Fin n → M), f₁.Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ f₁.Realize default xs) →
      (∀ (xs : Fin n → M), f₂.Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ f₂.Realize default xs) →
        ∀ (xs : Fin n → M), (f₁ ⟹ f₂).Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ (f₁ ⟹ f₂).Realize default xs

case refine_5
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty n
⊢ ∀ {n : ℕ} (f_1 : L.BoundedFormula Empty (n + 1)),
    (∀ (xs : Fin (n + 1) → M), f_1.Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ f_1.Realize default xs) →
      ∀ (xs : Fin n → M), (∀'f_1).Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ (∀'f_1).Realize default xs

Proof state:
case refine_2
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty n
⊢ ∀ {n : ℕ} (t₁ t₂ : L.Term (Empty ⊕ Fin n)) (xs : Fin n → M),
    (BoundedFormula.equal t₁ t₂).Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ (BoundedFormula.equal t₁ t₂).Realize default xs

Tactic:
intros

Result:
case refine_2
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty n
n✝ : ℕ
t₁✝ t₂✝ : L.Term (Empty ⊕ Fin n✝)
xs✝ : Fin n✝ → M
⊢ (BoundedFormula.equal t₁✝ t₂✝).Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs✝) ↔ (BoundedFormula.equal t₁✝ t₂✝).Realize default xs✝

Proof state:
case refine_5.refine_1
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n✝ : ℕ
φ✝ : L.BoundedFormula Empty n✝
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)
ih : ∀ (xs : Fin (n + 1) → M), φ.Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs) ↔ φ.Realize default xs
xs : Fin n → M
h : ∀ (a : N), φ.Realize (⇑f ∘ default) (Fin.snoc (⇑f ∘ xs) a)
a : M
⊢ φ.Realize (⇑f ∘ default) (Fin.snoc (⇑f ∘ xs) (f a))

Tactic:
exact h (f a)

Result:
no goals

Proof state:
case refine_3
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty n
n✝ l✝ : ℕ
R✝ : L.Relations l✝
ts✝ : Fin l✝ → L.Term (Empty ⊕ Fin n✝)
xs✝ : Fin n✝ → M
⊢ (BoundedFormula.rel R✝ ts✝).Realize (⇑f ∘ default) (⇑f ∘ xs✝) ↔ (BoundedFormula.rel R✝ ts✝).Realize default xs✝

Tactic:
simp only [BoundedFormula.Realize, ← Sum.comp_elim, HomClass.realize_term]

Result:
case refine_3
L : Language
M : Type u_1
N : Type u_2
inst✝¹ : L.Structure M
inst✝ : L.Structure N
f : M ↪[L] N
htv :
  ∀ (n : ℕ) (φ : L.BoundedFormula Empty (n + 1)) (x : Fin n → M) (a : N),
    φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) a) → ∃ b, φ.Realize default (Fin.snoc (⇑f ∘ x) (f b))
n : ℕ
φ : L.BoundedFormula Empty n
n✝ l✝ : ℕ
R✝ : L.Relations l✝
ts✝ : Fin l✝ → L.Term (Empty ⊕ Fin n✝)
xs✝ : Fin n✝ → M
⊢ (RelMap R✝ fun i => f (Term.realize (Sum.elim default xs✝) (ts✝ i))) ↔
    RelMap R✝ fun i => Term.realize (Sum.elim default xs✝) (ts✝ i)