-- Mathlib/NumberTheory/SumFourSquares.lean
theorem Prime.sum_four_squares {p : ℕ} (hp : p.Prime) :
    ∃ a b c d : ℕ, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = p

Proof state:
case refine_2
p : ℕ
hp : Prime p
this✝¹ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this✝ : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
r : ℕ
hr₀ : 0 < r
hrm : r < m
hr : f b ^ 2 + f a ^ 2 + f d ^ 2 + (-f c) ^ 2 = ↑(m * r)
this :
  (f b * ↑a - f a * ↑b - f d * ↑c - -f c * ↑d) ^ 2 + (f b * ↑b + f a * ↑a + f d * ↑d - -f c * ↑c) ^ 2 +
        (f b * ↑c - f a * ↑d + f d * ↑a + -f c * ↑b) ^ 2 +
      (f b * ↑d + f a * ↑c - f d * ↑b + -f c * ↑a) ^ 2 =
    ↑(m * r) * ↑(m * p)
⊢ ↑(a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2) = 0

Tactic:
simp [habcd]

Result:
no goals

Proof state:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
⊢ ∃ f, (∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m) ∧ ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x

Tactic:
refine ⟨fun x ↦ (x : ZMod m).valMinAbs, fun x ↦ ?_, fun x ↦ (x : ZMod m).coe_valMinAbs⟩

Result:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
x : ℕ
⊢ 2 * ((fun x => (↑x).valMinAbs) x).natAbs < m

Proof state:
case pos.intro
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
a b c d m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < 2 * m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : 2 * m < p
hm₀ : 0 < m
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = 2 * m * p
hm₁ : 1 < 2 * m
this : NeZero (2 * m)
⊢ False

Tactic:
have hm₂ : m < 2 * m := by simpa [two_mul]

Result:
case pos.intro
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
a b c d m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < 2 * m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : 2 * m < p
hm₀ : 0 < m
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = 2 * m * p
hm₁ : 1 < 2 * m
this : NeZero (2 * m)
hm₂ : m < 2 * m
⊢ False

Proof state:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
r : ℕ
hr : (f a).natAbs ^ 2 + (f b).natAbs ^ 2 + (f c).natAbs ^ 2 + (f d).natAbs ^ 2 = r * m
hr₀ : 0 < r
⊢ r < m

Tactic:
apply lt_of_sum_four_squares_eq_mul hr <;> apply hf_lt

Result:
no goals

Proof state:
case mk.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.inr
p : ℕ
hp : Prime p
this : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
⊢ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = p

Tactic:
exfalso

Result:
case mk.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.inr
p : ℕ
hp : Prime p
this : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
⊢ False

Proof state:
case neg.intro.intro.intro.inl.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro
p : ℕ
hp : Prime p
this✝¹ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
hm₁ : 1 < m
this✝ : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
a b c d : ℕ
habcd : (m * a) ^ 2 + (m * b) ^ 2 + (m * c) ^ 2 + (m * d) ^ 2 = m * p
hr : f (m * a) = 0 ∧ f (m * b) = 0 ∧ f (m * c) = 0 ∧ f (m * d) = 0
this : m * m ∣ m * p
⊢ False

Tactic:
rw [mul_dvd_mul_iff_left hm₀.ne'] at this

Result:
case neg.intro.intro.intro.inl.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro
p : ℕ
hp : Prime p
this✝¹ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
hm₁ : 1 < m
this✝ : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
a b c d : ℕ
habcd : (m * a) ^ 2 + (m * b) ^ 2 + (m * c) ^ 2 + (m * d) ^ 2 = m * p
hr : f (m * a) = 0 ∧ f (m * b) = 0 ∧ f (m * c) = 0 ∧ f (m * d) = 0
this : m ∣ p
⊢ False