-- Mathlib/NumberTheory/FLT/Basic.lean
/-- To prove Fermat Last Theorem in any semiring that is a `NormalizedGCDMonoid` one can assume
that the `gcd` of `{a, b, c}` is `1`. -/
lemma fermatLastTheoremWith_of_fermatLastTheoremWith_coprime {n : ℕ} {R : Type*} [CommSemiring R]
    [IsDomain R] [DecidableEq R] [NormalizedGCDMonoid R]
    (hn : ∀ a b c : R, a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → ({a, b, c} : Finset R).gcd id = 1 →
      a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n) :
    FermatLastTheoremWith R n

Proof state:
case intro.intro.intro
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
A : R
hA : a = d * A
B : R
hB : b = d * B
C : R
hC : c = d * C
ha : d ≠ 0 ∧ A ≠ 0
hb : d ≠ 0 ∧ B ≠ 0
hc : d ≠ 0 ∧ C ≠ 0
habc : A ^ n + B ^ n = C ^ n
⊢ IsUnit ({A, B, C}.gcd id)

Tactic:
obtain ⟨u, hu⟩ := normalize_associated d

Result:
case intro.intro.intro.intro
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
A : R
hA : a = d * A
B : R
hB : b = d * B
C : R
hC : c = d * C
ha : d ≠ 0 ∧ A ≠ 0
hb : d ≠ 0 ∧ B ≠ 0
hc : d ≠ 0 ∧ C ≠ 0
habc : A ^ n + B ^ n = C ^ n
u : Rˣ
hu : normalize d * ↑u = d
⊢ IsUnit ({A, B, C}.gcd id)

Proof state:
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
ha : a ≠ 0
hb : b ≠ 0
hc : c ≠ 0
habc : a ^ n + b ^ n = c ^ n
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
A : R
hA : a = d * A
B : R
hB : b = d * B
⊢ c ∈ s

Tactic:
simp [s]

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
A : R
hA : a = d * A
B : R
hB : b = d * B
C : R
hC : c = d * C
ha : d ≠ 0 ∧ A ≠ 0
hb : d ≠ 0 ∧ B ≠ 0
hc : d ≠ 0 ∧ C ≠ 0
habc : d ^ n * A ^ n + d ^ n * B ^ n = d ^ n * C ^ n
⊢ False

Tactic:
rw [← mul_add, mul_right_inj' (pow_ne_zero n ha.1)] at habc

Result:
case intro.intro.intro
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
A : R
hA : a = d * A
B : R
hB : b = d * B
C : R
hC : c = d * C
ha : d ≠ 0 ∧ A ≠ 0
hb : d ≠ 0 ∧ B ≠ 0
hc : d ≠ 0 ∧ C ≠ 0
habc : A ^ n + B ^ n = C ^ n
⊢ False

Proof state:
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
ha : a ≠ 0
hb : b ≠ 0
hc : c ≠ 0
habc : a ^ n + b ^ n = c ^ n
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
⊢ False

Tactic:
obtain ⟨A, hA⟩ : d ∣ a := gcd_dvd (by simp [s])

Result:
case intro
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
ha : a ≠ 0
hb : b ≠ 0
hc : c ≠ 0
habc : a ^ n + b ^ n = c ^ n
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
A : R
hA : a = d * A
⊢ False

Proof state:
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
ha : a ≠ 0
hb : b ≠ 0
hc : c ≠ 0
habc : a ^ n + b ^ n = c ^ n
⊢ False

Tactic:
let s : Finset R := {a, b, c}

Result:
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
ha : a ≠ 0
hb : b ≠ 0
hc : c ≠ 0
habc : a ^ n + b ^ n = c ^ n
s : Finset R := {a, b, c}
⊢ False

Proof state:
case intro.intro.intro
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
A : R
hA : a = d * A
B : R
hB : b = d * B
C : R
hC : c = d * C
ha : d ≠ 0 ∧ A ≠ 0
hb : d ≠ 0 ∧ B ≠ 0
hc : d ≠ 0 ∧ C ≠ 0
habc : A ^ n + B ^ n = C ^ n
⊢ False

Tactic:
refine hn A B C ha.2 hb.2 hc.2 ?_ habc

Result:
case intro.intro.intro
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
A : R
hA : a = d * A
B : R
hB : b = d * B
C : R
hC : c = d * C
ha : d ≠ 0 ∧ A ≠ 0
hb : d ≠ 0 ∧ B ≠ 0
hc : d ≠ 0 ∧ C ≠ 0
habc : A ^ n + B ^ n = C ^ n
⊢ {A, B, C}.gcd id = 1

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
n : ℕ
R : Type u_2
inst✝³ : CommSemiring R
inst✝² : IsDomain R
inst✝¹ : DecidableEq R
inst✝ : NormalizedGCDMonoid R
hn : ∀ (a b c : R), a ≠ 0 → b ≠ 0 → c ≠ 0 → {a, b, c}.gcd id = 1 → a ^ n + b ^ n ≠ c ^ n
a b c : R
s : Finset R := {a, b, c}
d : R := s.gcd id
A : R
hA : a = d * A
B : R
hB : b = d * B
C : R
hC : c = d * C
ha : d ≠ 0 ∧ A ≠ 0
hb : d ≠ 0 ∧ B ≠ 0
hc : d ≠ 0 ∧ C ≠ 0
habc : A ^ n + B ^ n = C ^ n
u : Rˣ
hu : normalize d * ↑u = d
⊢ d = normalize d * {A, B, C}.gcd id

Tactic:
rw [← Finset.gcd_mul_left, gcd_eq_gcd_image, image_insert, image_insert, image_singleton,
    id_eq, id_eq, id_eq, ← hA, ← hB, ← hC]

Result:
no goals