-- Mathlib/LinearAlgebra/FreeModule/Int.lean
/-- Given a submodule `N` in Smith normal form of a free `R`-module, its index as an additive
subgroup is an appropriate power of the cardinality of `R` multiplied by the product of the
indexes of the ideals generated by each basis vector. -/
lemma toAddSubgroup_index_eq_pow_mul_prod [Module R M] {N : Submodule R M}
    (snf : Basis.SmithNormalForm N ι n) :
    N.toAddSubgroup.index = Nat.card R ^ (Fintype.card ι - n) *
      ∏ i : Fin n, (Ideal.span {snf.a i}).toAddSubgroup.index

Proof state:
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN'✝ : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
hN' :
  N'.toAddSubgroup =
    AddSubgroup.pi Set.univ fun i => Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0})
f' : Fin n → { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := fun i => ⟨f i, ⋯⟩
hf' : Function.Injective f'
f'' : Fin n ↪ { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := { toFun := f', inj' := hf' }
⊢ Finset.univ = Finset.map f'' Finset.univ

Tactic:
ext x

Result:
case h
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN'✝ : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
hN' :
  N'.toAddSubgroup =
    AddSubgroup.pi Set.univ fun i => Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0})
f' : Fin n → { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := fun i => ⟨f i, ⋯⟩
hf' : Function.Injective f'
f'' : Fin n ↪ { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := { toFun := f', inj' := hf' }
x : { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ }
⊢ x ∈ Finset.univ ↔ x ∈ Finset.map f'' Finset.univ

Proof state:
case convert_3
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN' : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
g : ι → R
h✝ : ∀ (i : ι), (if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0) ∣ g i
i : ι
hj : ∃ j, f j = i
j : Fin n
h : j ≠ hj.choose
⊢ (if i = f j then ⋯.choose • a j else 0) = 0

Tactic:
have hinj := f.injective.ne h

Result:
case convert_3
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN' : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
g : ι → R
h✝ : ∀ (i : ι), (if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0) ∣ g i
i : ι
hj : ∃ j, f j = i
j : Fin n
h : j ≠ hj.choose
hinj : f j ≠ f hj.choose
⊢ (if i = f j then ⋯.choose • a j else 0) = 0

Proof state:
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN' : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
i : Fin n
⊢ ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)

Tactic:
simp only [map_apply, bN']

Result:
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN' : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
i : Fin n
⊢ ↑((bM.equivFun.submoduleMap N) (bN i)) = Pi.single (f i) (a i)

Proof state:
case h.e'_2.a
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN' : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
c : Fin n → R
i : ι
h : ∀ (x : Fin n), ¬f x = i
j : Fin n
a✝ : j ∈ Finset.univ
⊢ (c j • if i = f j then a j else 0) = 0

Tactic:
specialize h j

Result:
case h.e'_2.a
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN' : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
c : Fin n → R
i : ι
j : Fin n
a✝ : j ∈ Finset.univ
h : ¬f j = i
⊢ (c j • if i = f j then a j else 0) = 0

Proof state:
case h.e'_4
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN' : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
c : Fin n → R
i : ι
h : ∃ j, f j = i
⊢ (∑ x : Fin n, c x • if i = f x then a x else 0) = c h.choose * a h.choose

Tactic:
calc ∑ x : Fin n, _ = c h.choose * if i = f h.choose then a h.choose else 0 := by
      refine Finset.sum_eq_single h.choose ?_ (by simp)
      rintro j - hj
      have hinj := f.injective.ne hj
      rw [h.choose_spec] at hinj
      simp [hinj.symm]
  _ = c h.choose * a h.choose := by simp [h.choose_spec]

Result:
no goals