-- Mathlib/Algebra/Module/PID.lean
theorem p_pow_smul_lift {x y : M} {k : ℕ} (hM' : Module.IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y))
    (h : p ^ k • x ∈ R ∙ y) : ∃ a : R, p ^ k • x = p ^ k • a • y

Proof state:
case pos
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
⊢ ∃ a, p ^ k • x = p ^ k • a • y

Tactic:
let f :=
  ((R ∙ p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k).quotEquivOfEq _ ?_).trans
    (quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y)

Result:
case pos.refine_2
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
f : (R ⧸ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}) ≃ₗ[R] ↥(Submodule.span R {y}) :=
  (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}).quotEquivOfEq (torsionOf R M y) ?pos.refine_1✝ ≪≫ₗ
    quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y
⊢ ∃ a, p ^ k • x = p ^ k • a • y

case pos.refine_1
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
⊢ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k} = torsionOf R M y

Proof state:
case pos.refine_2
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
f : (R ⧸ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}) ≃ₗ[R] ↥(Submodule.span R {y}) :=
  (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}).quotEquivOfEq (torsionOf R M y) ?pos.refine_1✝ ≪≫ₗ
    quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y
this : ∃ a, a • (Ideal.Quotient.mk (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k})) (p ^ k) = f.symm ⟨p ^ k • x, h⟩
⊢ ∃ a, p ^ k • x = p ^ k • a • y

Tactic:
obtain ⟨a, ha⟩ := this

Result:
case pos.refine_2.intro
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
f : (R ⧸ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}) ≃ₗ[R] ↥(Submodule.span R {y}) :=
  (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}).quotEquivOfEq (torsionOf R M y) ?pos.refine_1✝ ≪≫ₗ
    quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y
a : R
ha : a • (Ideal.Quotient.mk (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k})) (p ^ k) = f.symm ⟨p ^ k • x, h⟩
⊢ ∃ a, p ^ k • x = p ^ k • a • y

Proof state:
case h.e'_2.h.e'_6
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
f : (R ⧸ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}) ≃ₗ[R] ↥(Submodule.span R {y}) :=
  (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}).quotEquivOfEq (torsionOf R M y) ?pos.refine_1✝ ≪≫ₗ
    quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y
⊢ p ^ (pOrder hM y - k) • ⟨p ^ k • x, h⟩ = 0

Tactic:
ext

Result:
case h.e'_2.h.e'_6.a
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
f : (R ⧸ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}) ≃ₗ[R] ↥(Submodule.span R {y}) :=
  (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}).quotEquivOfEq (torsionOf R M y) ?pos.refine_1✝ ≪≫ₗ
    quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y
⊢ ↑(p ^ (pOrder hM y - k) • ⟨p ^ k • x, h⟩) = ↑0

Proof state:
case h
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
f : (R ⧸ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}) ≃ₗ[R] ↥(Submodule.span R {y}) :=
  (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}).quotEquivOfEq (torsionOf R M y) ?pos.refine_1✝ ≪≫ₗ
    quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y
a : R
ha : f (Submodule.Quotient.mk (a * p ^ k)) = ⟨p ^ k • x, h⟩
⊢ p ^ k • x = (a * p ^ k) • y

Tactic:
exact congr_arg ((↑) : _ → M) ha.symm

Result:
no goals

Proof state:
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
f : (R ⧸ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}) ≃ₗ[R] ↥(Submodule.span R {y}) :=
  (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}).quotEquivOfEq (torsionOf R M y) ?pos.refine_1✝ ≪≫ₗ
    quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y
⊢ f.symm ⟨p ^ k • x, h⟩ ∈
    Submodule.span R {(Ideal.Quotient.mk (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k})) (p ^ k)}

Tactic:
rw [← Quotient.torsionBy_eq_span_singleton, mem_torsionBy_iff, ← f.symm.map_smul]

Result:
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
f : (R ⧸ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}) ≃ₗ[R] ↥(Submodule.span R {y}) :=
  (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}).quotEquivOfEq (torsionOf R M y) ?pos.refine_1✝ ≪≫ₗ
    quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y
⊢ f.symm (p ^ (pOrder hM y - k) • ⟨p ^ k • x, h⟩) = 0

case ha
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
M : Type v
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Module R M
inst✝ : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
hM : IsTorsion' M ↥(Submonoid.powers p)
dec : (x : M) → Decidable (x = 0)
x y : M
k : ℕ
hM' : IsTorsionBy R M (p ^ pOrder hM y)
h : p ^ k • x ∈ Submodule.span R {y}
hk : k ≤ pOrder hM y
f : (R ⧸ Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}) ≃ₗ[R] ↥(Submodule.span R {y}) :=
  (Submodule.span R {p ^ (pOrder hM y - k) * p ^ k}).quotEquivOfEq (torsionOf R M y) ?pos.refine_1✝ ≪≫ₗ
    quotTorsionOfEquivSpanSingleton R M y
⊢ p ^ (pOrder hM y - k) ∈ nonZeroDivisors R