-- Mathlib/RingTheory/RootsOfUnity/Minpoly.lean
theorem minpoly_eq_pow {p : ℕ} [hprime : Fact p.Prime] (hdiv : ¬p ∣ n) :
    minpoly ℤ μ = minpoly ℤ (μ ^ p)

Proof state:
case neg.intro.inr
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
R : (ZMod p)[X]
prod : map (Int.castRingHom (ZMod p)) P ^ 2 * R ∣ X ^ n - 1
hR : map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ (μ ^ p)) = map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ μ) * R
habs : ↑1 < emultiplicity (map (Int.castRingHom (ZMod p)) P) (X ^ n - 1)
hfree : Squarefree (X ^ n - 1)
hunit : P.degree = 0
⊢ False

Tactic:
exact (minpoly.degree_pos (isIntegral h hpos)).ne' hunit

Result:
no goals

Proof state:
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
R : (ZMod p)[X]
prod : map (Int.castRingHom (ZMod p)) P ^ 2 * R ∣ X ^ n - 1
hR : map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ (μ ^ p)) = map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ μ) * R
habs : ↑1 < emultiplicity (map (Int.castRingHom (ZMod p)) P) (X ^ n - 1)
hfree : Squarefree (X ^ n - 1)
hunit : (map (Int.castRingHom (ZMod p)) P).degree = 0
⊢ (Int.castRingHom (ZMod p)) P.leadingCoeff ≠ 0

Tactic:
simp only [Pmonic, eq_intCast, Monic.leadingCoeff, Int.cast_one, Ne, not_false_iff,
  one_ne_zero]

Result:
no goals

Proof state:
case refine_1
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv✝ : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
aux : Irreducible P ↔ Irreducible (map (Int.castRingHom ℚ) P)
hdiv : P ∣ Q
⊢ Associated P Q

Tactic:
exact associated_of_dvd_dvd hdiv (Pirr.dvd_symm Qirr hdiv)

Result:
no goals

Proof state:
case refine_3
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
⊢ map (Int.castRingHom ℚ) Q ∣ map (Int.castRingHom ℚ) (X ^ n - 1)

Tactic:
apply (map_dvd_map (Int.castRingHom ℚ) Int.cast_injective Qmonic).2

Result:
case refine_3
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
⊢ Q ∣ X ^ n - 1

Proof state:
case neg
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
⊢ minpoly ℤ μ = minpoly ℤ (μ ^ p)

Tactic:
by_contra hdiff

Result:
case neg
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
hdiff : ¬minpoly ℤ μ = minpoly ℤ (μ ^ p)
⊢ False

Proof state:
case neg
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
prod : map (Int.castRingHom (ZMod p)) P * map (Int.castRingHom (ZMod p)) Q ∣ X ^ n - 1
⊢ False

Tactic:
obtain ⟨R, hR⟩ := minpoly_dvd_mod_p h hdiv

Result:
case neg.intro
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
prod : map (Int.castRingHom (ZMod p)) P * map (Int.castRingHom (ZMod p)) Q ∣ X ^ n - 1
R : (ZMod p)[X]
hR : map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ (μ ^ p)) = map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ μ) * R
⊢ False

Proof state:
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
R : (ZMod p)[X]
prod : map (Int.castRingHom (ZMod p)) P ^ 2 * R ∣ X ^ n - 1
hR : map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ (μ ^ p)) = map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ μ) * R
⊢ map (Int.castRingHom (ZMod p)) P ^ 2 ∣ map (Int.castRingHom (ZMod p)) P ^ 2 * R

Tactic:
use R

Result:
no goals

Proof state:
case neg.intro
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
prod : map (Int.castRingHom (ZMod p)) P * map (Int.castRingHom (ZMod p)) Q ∣ X ^ n - 1
R : (ZMod p)[X]
hR : map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ (μ ^ p)) = map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ μ) * R
⊢ False

Tactic:
rw [hR, ← mul_assoc, ← Polynomial.map_mul, ← sq, Polynomial.map_pow] at prod

Result:
case neg.intro
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
P : ℤ[X] := minpoly ℤ μ
Q : ℤ[X] := minpoly ℤ (μ ^ p)
hdiff : ¬P = Q
Pmonic : P.Monic
Qmonic : Q.Monic
Pirr : Irreducible P
Qirr : Irreducible Q
PQprim : (P * Q).IsPrimitive
R : (ZMod p)[X]
prod : map (Int.castRingHom (ZMod p)) P ^ 2 * R ∣ X ^ n - 1
hR : map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ (μ ^ p)) = map (Int.castRingHom (ZMod p)) (minpoly ℤ μ) * R
⊢ False

Proof state:
case neg
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
⊢ minpoly ℤ μ = minpoly ℤ (μ ^ p)

Tactic:
have hpos := Nat.pos_of_ne_zero hn

Result:
case neg
n : ℕ
K : Type u_1
inst✝² : CommRing K
μ : K
h : IsPrimitiveRoot μ n
inst✝¹ : IsDomain K
inst✝ : CharZero K
p : ℕ
hprime : Fact (Nat.Prime p)
hdiv : ¬p ∣ n
hn : ¬n = 0
hpos : 0 < n
⊢ minpoly ℤ μ = minpoly ℤ (μ ^ p)