-- Mathlib/RingTheory/WittVector/Isocrystal.lean
theorem isocrystal_classification (k : Type*) [Field k] [IsAlgClosed k] [CharP k p] (V : Type*)
    [AddCommGroup V] [Isocrystal p k V] (h_dim : finrank K(p, k) V = 1) :
    ∃ m : ℤ, Nonempty (StandardOneDimIsocrystal p k m ≃ᶠⁱ[p, k] V)

Proof state:
case h
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
this✝ : Nontrivial V
x : V
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a ≠ 0
hax : Φ(p, k) x = a • x
b : K(p, k)
hb : b ≠ 0
m : ℤ
hmb : φ(p, k) b * a = ↑p ^ m * b
F₀ : StandardOneDimIsocrystal p k m →ₗ[K(p, k)] V := LinearMap.toSpanSingleton K(p, k) V x
F : StandardOneDimIsocrystal p k m ≃ₗ[K(p, k)] V := LinearEquiv.ofBijective F₀ ⋯
c : StandardOneDimIsocrystal p k m
⊢ Φ(p, k) ((LinearEquiv.smulOfNeZero K(p, k) (StandardOneDimIsocrystal p k m) b hb ≪≫ₗ F) c) =
    (LinearEquiv.smulOfNeZero K(p, k) (StandardOneDimIsocrystal p k m) b hb ≪≫ₗ F) (Φ(p, k) c)

Tactic:
rw [LinearEquiv.trans_apply, LinearEquiv.trans_apply, LinearEquiv.smulOfNeZero_apply,
  LinearEquiv.smulOfNeZero_apply, Units.smul_mk0, Units.smul_mk0, LinearEquiv.map_smul,
  LinearEquiv.map_smul]

Result:
case h
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
this✝ : Nontrivial V
x : V
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a ≠ 0
hax : Φ(p, k) x = a • x
b : K(p, k)
hb : b ≠ 0
m : ℤ
hmb : φ(p, k) b * a = ↑p ^ m * b
F₀ : StandardOneDimIsocrystal p k m →ₗ[K(p, k)] V := LinearMap.toSpanSingleton K(p, k) V x
F : StandardOneDimIsocrystal p k m ≃ₗ[K(p, k)] V := LinearEquiv.ofBijective F₀ ⋯
c : StandardOneDimIsocrystal p k m
⊢ Φ(p, k) (b • F c) = b • F (Φ(p, k) c)

Proof state:
case intro
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
this✝ : Nontrivial V
x : V
h_dim : ∀ (w : V), ∃ c, c • x = w
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a • x = Φ(p, k) x
⊢ a ≠ 0

Tactic:
intro ha'

Result:
case intro
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
this✝ : Nontrivial V
x : V
h_dim : ∀ (w : V), ∃ c, c • x = w
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a • x = Φ(p, k) x
ha' : a = 0
⊢ False

Proof state:
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
⊢ ∃ m, Nonempty (StandardOneDimIsocrystal p k m ≃ᶠⁱ[p, k] V)

Tactic:
haveI : Nontrivial V := Module.nontrivial_of_finrank_eq_succ h_dim

Result:
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
this : Nontrivial V
⊢ ∃ m, Nonempty (StandardOneDimIsocrystal p k m ≃ᶠⁱ[p, k] V)

Proof state:
case intro
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
this✝ : Nontrivial V
x : V
h_dim : ∀ (w : V), ∃ c, c • x = w
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a • x = Φ(p, k) x
⊢ ∃ a, a ≠ 0 ∧ Φ(p, k) x = a • x

Tactic:
refine ⟨a, ?_, ha.symm⟩

Result:
case intro
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
this✝ : Nontrivial V
x : V
h_dim : ∀ (w : V), ∃ c, c • x = w
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a • x = Φ(p, k) x
⊢ a ≠ 0

Proof state:
case intro.intro.intro
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
this✝ : Nontrivial V
x : V
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a ≠ 0
hax : Φ(p, k) x = a • x
⊢ ∃ m, Nonempty (StandardOneDimIsocrystal p k m ≃ᶠⁱ[p, k] V)

Tactic:
obtain ⟨b, hb, m, hmb⟩ := WittVector.exists_frobenius_solution_fractionRing p ha

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
this✝ : Nontrivial V
x : V
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a ≠ 0
hax : Φ(p, k) x = a • x
b : K(p, k)
hb : b ≠ 0
m : ℤ
hmb : (IsFractionRing.ringEquivOfRingEquiv (frobeniusEquiv p k)) b * a = ↑p ^ m * b
⊢ ∃ m, Nonempty (StandardOneDimIsocrystal p k m ≃ᶠⁱ[p, k] V)

Proof state:
case h.e_a
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
this✝ : Nontrivial V
x : V
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a ≠ 0
hax : Φ(p, k) x = a • x
b : K(p, k)
hb : b ≠ 0
m : ℤ
hmb : φ(p, k) b * a = ↑p ^ m * b
F₀ : StandardOneDimIsocrystal p k m →ₗ[K(p, k)] V := LinearMap.toSpanSingleton K(p, k) V x
F : StandardOneDimIsocrystal p k m ≃ₗ[K(p, k)] V := LinearEquiv.ofBijective F₀ ⋯
c : StandardOneDimIsocrystal p k m
⊢ φ(p, k) b * (φ(p, k) c * a) = b * (↑p ^ m * φ(p, k) c)

Tactic:
linear_combination φ(p, k) c * hmb

Result:
no goals

Proof state:
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
this✝ : Nontrivial V
x : V
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a ≠ 0
hax : Φ(p, k) x = a • x
b : K(p, k)
hb : b ≠ 0
m : ℤ
hmb : φ(p, k) b * a = ↑p ^ m * b
F₀ : StandardOneDimIsocrystal p k m →ₗ[K(p, k)] V := LinearMap.toSpanSingleton K(p, k) V x
⊢ StandardOneDimIsocrystal p k m ≃ₗ[K(p, k)] V

Tactic:
refine LinearEquiv.ofBijective F₀ ⟨?_, ?_⟩

Result:
case refine_1
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
this✝ : Nontrivial V
x : V
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a ≠ 0
hax : Φ(p, k) x = a • x
b : K(p, k)
hb : b ≠ 0
m : ℤ
hmb : φ(p, k) b * a = ↑p ^ m * b
F₀ : StandardOneDimIsocrystal p k m →ₗ[K(p, k)] V := LinearMap.toSpanSingleton K(p, k) V x
⊢ Function.Injective ⇑F₀

case refine_2
p : ℕ
inst✝⁵ : Fact (Nat.Prime p)
k : Type u_2
inst✝⁴ : Field k
inst✝³ : IsAlgClosed k
inst✝² : CharP k p
V : Type u_3
inst✝¹ : AddCommGroup V
inst✝ : Isocrystal p k V
h_dim : finrank K(p, k) V = 1
this✝ : Nontrivial V
x : V
hx : x ≠ 0
this : Φ(p, k) x ≠ 0
a : K(p, k)
ha : a ≠ 0
hax : Φ(p, k) x = a • x
b : K(p, k)
hb : b ≠ 0
m : ℤ
hmb : φ(p, k) b * a = ↑p ^ m * b
F₀ : StandardOneDimIsocrystal p k m →ₗ[K(p, k)] V := LinearMap.toSpanSingleton K(p, k) V x
⊢ Function.Surjective ⇑F₀