-- 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_1
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)
⊢ ↑m ∣ f b * ↑a - f a * ↑b - f d * ↑c - -f c * ↑d

Tactic:
simp [← ZMod.intCast_zmod_eq_zero_iff_dvd, hf_mod, mul_comm]

Result:
no goals

Proof state:
case mk.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.inl
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 : ℕ
hmin : ∀ m < 1, ¬(m < p ∧ 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p)
hmp : 1 < p
hm₀ : 0 < 1
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = 1 * p
⊢ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = p

Tactic:
use a, b, c, d

Result:
case h
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 : ℕ
hmin : ∀ m < 1, ¬(m < p ∧ 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p)
hmp : 1 < p
hm₀ : 0 < 1
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = 1 * p
⊢ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = p

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 < 2 * m
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = 2 * m * p
hm₁ : 1 < 2 * m
this : NeZero (2 * m)
⊢ False

Tactic:
rw [mul_pos_iff_of_pos_left two_pos] at hm₀

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)
⊢ False

Proof state:
case neg.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
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 = m * r
hr₀ : 0 < r
hrm : r < m
⊢ False

Tactic:
rsuffices ⟨w, x, y, z, hw, hx, hy, hz, h⟩ : ∃ w x y z : ℤ, ↑m ∣ w ∧ ↑m ∣ x ∧ ↑m ∣ y ∧ ↑m ∣ z ∧
  w ^ 2 + x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 = ↑(m * r) * ↑(m * p)

Result:
case neg.intro.intro.intro.inr.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.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
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 = m * r
hr₀ : 0 < r
hrm : r < m
w x y z : ℤ
hw : ↑m ∣ w
hx : ↑m ∣ x
hy : ↑m ∣ y
hz : ↑m ∣ z
h : w ^ 2 + x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 = ↑(m * r) * ↑(m * p)
⊢ False

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 = m * r
hr₀ : 0 < r
hrm : r < m
⊢ ∃ w x y z, ↑m ∣ w ∧ ↑m ∣ x ∧ ↑m ∣ y ∧ ↑m ∣ z ∧ w ^ 2 + x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 = ↑(m * r) * ↑(m * p)

Proof state:
case neg.intro.intro.intro.inl
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
hr : f a = 0 ∧ f b = 0 ∧ f c = 0 ∧ f d = 0
⊢ False

Tactic:
obtain ⟨⟨a, rfl⟩, ⟨b, rfl⟩, ⟨c, rfl⟩, ⟨d, rfl⟩⟩ : m ∣ a ∧ m ∣ b ∧ m ∣ c ∧ m ∣ d := by
  simp only [← ZMod.natCast_zmod_eq_zero_iff_dvd, ← hf_mod, hr, Int.cast_zero, and_self]

Result:
case neg.intro.intro.intro.inl.intro.intro.intro.intro.intro.intro.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
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
⊢ False