-- Mathlib/Computability/TMConfig.lean
theorem cont_eval_fix {f k v} (fok : Code.Ok f) :
    Turing.eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) v) =
      f.fix.eval v >>= fun v => Turing.eval step (Cfg.ret k v)

Proof state:
case neg.intro.intro
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x c : Cfg
he✝ : x ∈ eval step c
v v' : List ℕ
IH :
  ∀ (a' : Cfg),
    step (stepRet (Cont.fix f k) v') = some a' →
      ∀ (v : List ℕ) (c' : Cfg),
        a' = c'.then (Cont.fix f k) →
          Reaches step (stepNormal f Cont.halt v) c' →
            ∃ v₁ ∈ f.eval v,
              ∃ v₂ ∈ if v₁.headI = 0 then pure v₁.tail else f.fix.eval v₁.tail, x ∈ eval step (Cfg.ret k v₂)
hr : Reaches step (stepNormal f Cont.halt v) (Cfg.halt v')
h₁ : v' ∈ f.eval v
h₂✝ : Cfg.halt v' ∈ eval step (Cfg.ret Cont.halt v')
h₂ : Cfg.halt v' ∈ eval step (stepRet Cont.halt v')
he : ¬v'.headI = 0
h : x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) v'.tail)
k₀ : Cont
v₀ : List ℕ
e₀ : stepNormal f Cont.halt v'.tail = Cfg.ret k₀ v₀
e₁ : stepNormal f (Cont.fix f k) v'.tail = Cfg.ret (k₀.then (Cont.fix f k)) v₀
⊢ ∃ v₂ ∈ f.fix.eval v'.tail, x ∈ eval step (Cfg.ret k v₂)

Tactic:
obtain ⟨v₁, hv₁, v₂, hv₂, h₃⟩ :=
  IH (stepRet (k₀.then (Cont.fix f k)) v₀) (by rw [stepRet, if_neg he, e₁]; rfl)
    v'.tail _ stepRet_then (by apply ReflTransGen.single; rw [e₀]; rfl)

Result:
case neg.intro.intro.intro.intro.intro.intro
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x c : Cfg
he✝ : x ∈ eval step c
v v' : List ℕ
IH :
  ∀ (a' : Cfg),
    step (stepRet (Cont.fix f k) v') = some a' →
      ∀ (v : List ℕ) (c' : Cfg),
        a' = c'.then (Cont.fix f k) →
          Reaches step (stepNormal f Cont.halt v) c' →
            ∃ v₁ ∈ f.eval v,
              ∃ v₂ ∈ if v₁.headI = 0 then pure v₁.tail else f.fix.eval v₁.tail, x ∈ eval step (Cfg.ret k v₂)
hr : Reaches step (stepNormal f Cont.halt v) (Cfg.halt v')
h₁ : v' ∈ f.eval v
h₂✝ : Cfg.halt v' ∈ eval step (Cfg.ret Cont.halt v')
h₂ : Cfg.halt v' ∈ eval step (stepRet Cont.halt v')
he : ¬v'.headI = 0
h : x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) v'.tail)
k₀ : Cont
v₀ : List ℕ
e₀ : stepNormal f Cont.halt v'.tail = Cfg.ret k₀ v₀
e₁ : stepNormal f (Cont.fix f k) v'.tail = Cfg.ret (k₀.then (Cont.fix f k)) v₀
v₁ : List ℕ
hv₁ : v₁ ∈ f.eval v'.tail
v₂ : List ℕ
hv₂ : v₂ ∈ if v₁.headI = 0 then pure v₁.tail else f.fix.eval v₁.tail
h₃ : x ∈ eval step (Cfg.ret k v₂)
⊢ ∃ v₂ ∈ f.fix.eval v'.tail, x ∈ eval step (Cfg.ret k v₂)

Proof state:
case neg
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x : Cfg
v' : List ℕ
he✝ : v' ∈ f.fix.eval v✝
hr✝ : x ∈ eval step (Cfg.ret k v')
hr : x ∈ eval step (stepRet k v')
v : List ℕ
he : v' ∈ f.fix.eval v
IH :
  ∀ (a'' : List ℕ),
    Sum.inr a'' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v) →
      x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) a'')
v'' : List ℕ
he₁' : Sum.inr v'' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v)
right✝ :
  v' ∈ PFun.fix (fun v => Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v)) v''
v₁ : List ℕ
he₁ : v₁ ∈ f.eval v
h : ¬v₁.headI = 0
he₂ : Sum.inr v₁.tail = Sum.inr v''
⊢ ∃ a ∈ f.eval v, x ∈ eval step (Cfg.ret (Cont.fix f k) a)

Tactic:
cases he₂

Result:
case neg.refl
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x : Cfg
v' : List ℕ
he✝ : v' ∈ f.fix.eval v✝
hr✝ : x ∈ eval step (Cfg.ret k v')
hr : x ∈ eval step (stepRet k v')
v : List ℕ
he : v' ∈ f.fix.eval v
IH :
  ∀ (a'' : List ℕ),
    Sum.inr a'' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v) →
      x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) a'')
v₁ : List ℕ
he₁ : v₁ ∈ f.eval v
h : ¬v₁.headI = 0
he₁' : Sum.inr v₁.tail ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v)
right✝ :
  v' ∈ PFun.fix (fun v => Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v)) v₁.tail
⊢ ∃ a ∈ f.eval v, x ∈ eval step (Cfg.ret (Cont.fix f k) a)

Proof state:
case pos.refl
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x : Cfg
v : List ℕ
IH :
  ∀ (a'' : List ℕ),
    Sum.inr a'' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v) →
      x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) a'')
v' : List ℕ
he₁ : v' ∈ f.eval v
h : v'.headI = 0
he✝¹ : v'.tail ∈ f.fix.eval v✝
hr✝ : x ∈ eval step (Cfg.ret k v'.tail)
hr : x ∈ eval step (stepRet k v'.tail)
he✝ : v'.tail ∈ f.fix.eval v
he : Sum.inl v'.tail ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v)
⊢ ∃ a ∈ f.eval v, x ∈ eval step (Cfg.ret (Cont.fix f k) a)

Tactic:
refine ⟨_, he₁, ?_⟩

Result:
case pos.refl
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x : Cfg
v : List ℕ
IH :
  ∀ (a'' : List ℕ),
    Sum.inr a'' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v) →
      x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) a'')
v' : List ℕ
he₁ : v' ∈ f.eval v
h : v'.headI = 0
he✝¹ : v'.tail ∈ f.fix.eval v✝
hr✝ : x ∈ eval step (Cfg.ret k v'.tail)
hr : x ∈ eval step (stepRet k v'.tail)
he✝ : v'.tail ∈ f.fix.eval v
he : Sum.inl v'.tail ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v)
⊢ x ∈ eval step (Cfg.ret (Cont.fix f k) v')

Proof state:
case hab
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x c : Cfg
he✝ : x ∈ eval step c
v v' : List ℕ
IH :
  ∀ (a' : Cfg),
    step (stepRet (Cont.fix f k) v') = some a' →
      ∀ (v : List ℕ) (c' : Cfg),
        a' = c'.then (Cont.fix f k) →
          Reaches step (stepNormal f Cont.halt v) c' →
            ∃ v₁ ∈ f.eval v,
              ∃ v₂ ∈ if v₁.headI = 0 then pure v₁.tail else f.fix.eval v₁.tail, x ∈ eval step (Cfg.ret k v₂)
hr : Reaches step (stepNormal f Cont.halt v) (Cfg.halt v')
h₁ : v' ∈ f.eval v
h₂✝ : Cfg.halt v' ∈ eval step (Cfg.ret Cont.halt v')
h₂ : Cfg.halt v' ∈ eval step (stepRet Cont.halt v')
he : ¬v'.headI = 0
h : x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) v'.tail)
k₀ : Cont
v₀ : List ℕ
e₀ : stepNormal f Cont.halt v'.tail = Cfg.ret k₀ v₀
e₁ : stepNormal f (Cont.fix f k) v'.tail = Cfg.ret (k₀.then (Cont.fix f k)) v₀
⊢ stepRet k₀ v₀ ∈ step (Cfg.ret k₀ v₀)

Tactic:
rfl

Result:
no goals

Proof state:
case mpr.intro.intro
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x : Cfg
v' : List ℕ
he✝ : v' ∈ f.fix.eval v✝
hr✝ : x ∈ eval step (Cfg.ret k v')
hr : x ∈ eval step (stepRet k v')
v : List ℕ
he : v' ∈ f.fix.eval v
IH :
  ∀ (a'' : List ℕ),
    Sum.inr a'' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v) →
      x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) a'')
⊢ ∃ a ∈ f.eval v, x ∈ eval step (Cfg.ret (Cont.fix f k) a)

Tactic:
obtain he | ⟨v'', he₁', _⟩ := PFun.mem_fix_iff.1 he

Result:
case mpr.intro.intro.inl
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x : Cfg
v' : List ℕ
he✝¹ : v' ∈ f.fix.eval v✝
hr✝ : x ∈ eval step (Cfg.ret k v')
hr : x ∈ eval step (stepRet k v')
v : List ℕ
he✝ : v' ∈ f.fix.eval v
IH :
  ∀ (a'' : List ℕ),
    Sum.inr a'' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v) →
      x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) a'')
he : Sum.inl v' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v)
⊢ ∃ a ∈ f.eval v, x ∈ eval step (Cfg.ret (Cont.fix f k) a)

case mpr.intro.intro.inr.intro.intro
f : Code
k : Cont
v✝ : List ℕ
fok : f.Ok
x : Cfg
v' : List ℕ
he✝ : v' ∈ f.fix.eval v✝
hr✝ : x ∈ eval step (Cfg.ret k v')
hr : x ∈ eval step (stepRet k v')
v : List ℕ
he : v' ∈ f.fix.eval v
IH :
  ∀ (a'' : List ℕ),
    Sum.inr a'' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v) →
      x ∈ eval step (stepNormal f (Cont.fix f k) a'')
v'' : List ℕ
he₁' : Sum.inr v'' ∈ Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v)
right✝ :
  v' ∈ PFun.fix (fun v => Part.map (fun v => if v.headI = 0 then Sum.inl v.tail else Sum.inr v.tail) (f.eval v)) v''
⊢ ∃ a ∈ f.eval v, x ∈ eval step (Cfg.ret (Cont.fix f k) a)