-- Mathlib/RingTheory/Ideal/Basic.lean
theorem pow_multiset_sum_mem_span_pow [DecidableEq α] (s : Multiset α) (n : ℕ) :
    s.sum ^ (Multiset.card s * n + 1) ∈
    span ((s.map fun (x : α) ↦ x ^ (n + 1)).toFinset : Set α)

Proof state:
case neg
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : ¬n + 1 ≤ c
⊢ ∃ a_1,
    ∃ z ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset,
      a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) = a_1 * a ^ (n + 1) + z

Tactic:
use 0

Result:
case h
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : ¬n + 1 ≤ c
⊢ ∃ z ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset,
    a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) = 0 * a ^ (n + 1) + z

Proof state:
case pos
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : n + 1 ≤ c
⊢ a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) =
    a ^ (n + 1) * (a ^ (c - (n + 1)) * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c)) + 0

Tactic:
simp_rw [← mul_assoc]

Result:
case pos
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : n + 1 ≤ c
⊢ a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) =
    a ^ (n + 1) * a ^ (c - (n + 1)) * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) + 0

Proof state:
case cons
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
⊢ (a ::ₘ s).sum ^ ((a ::ₘ s).card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) (a ::ₘ s)).toFinset

Tactic:
simp only [Finset.coe_insert, Multiset.map_cons, Multiset.toFinset_cons, Multiset.sum_cons,
  Multiset.card_cons, add_pow]

Result:
case cons
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
⊢ ∑ m ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1),
      a ^ m * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - m) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose m) ∈
    span (insert (a ^ (n + 1)) ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset)

Proof state:
case h
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : c ≤ n
⊢ a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) ∈
    span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset

Tactic:
have : (Multiset.card s + 1) * n + 1 - c = Multiset.card s * n + 1 + (n - c) := by
  rw [add_mul, one_mul, add_assoc, add_comm n 1, ← add_assoc, add_tsub_assoc_of_le h]

Result:
case h
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : c ≤ n
this : (s.card + 1) * n + 1 - c = s.card * n + 1 + (n - c)
⊢ a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) ∈
    span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset

Proof state:
case cons
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
⊢ a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) ∈
    span (insert (a ^ (n + 1)) ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset)

Tactic:
rw [mem_span_insert]

Result:
case cons
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
⊢ ∃ a_1,
    ∃ z ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset,
      a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) = a_1 * a ^ (n + 1) + z

Proof state:
case pos
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : n + 1 ≤ c
⊢ a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) =
    a ^ (n + 1) * a ^ (c - (n + 1)) * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) + 0

Tactic:
rw [← pow_add, add_zero, add_tsub_cancel_of_le h]

Result:
no goals

Proof state:
case h
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : ¬n + 1 ≤ c
⊢ ∃ z ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset,
    a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) = z

Tactic:
refine ⟨_, ?_, rfl⟩

Result:
case h
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : ¬n + 1 ≤ c
⊢ a ^ c * s.sum ^ ((s.card + 1) * n + 1 - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) ∈
    span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset

Proof state:
case empty
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
⊢ Multiset.sum 0 ^ (Multiset.card 0 * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) 0).toFinset

Tactic:
simp

Result:
no goals

Proof state:
case h
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : c ≤ n
this : (s.card + 1) * n + 1 - c = s.card * n + 1 + (n - c)
⊢ a ^ c * (s.sum ^ (s.card * n + 1) * s.sum ^ (n - c)) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) ∈
    span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset

Tactic:
simp_rw [mul_assoc, mul_comm (s.sum ^ (Multiset.card s * n + 1)), ← mul_assoc]

Result:
case h
α : Type u_2
inst✝¹ : CommSemiring α
inst✝ : DecidableEq α
n : ℕ
a : α
s : Multiset α
hs : s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈ span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset
c : ℕ
_hc : c ∈ Finset.range ((s.card + 1) * n + 1 + 1)
h : c ≤ n
this : (s.card + 1) * n + 1 - c = s.card * n + 1 + (n - c)
⊢ a ^ c * s.sum ^ (n - c) * ↑(((s.card + 1) * n + 1).choose c) * s.sum ^ (s.card * n + 1) ∈
    span ↑(Multiset.map (fun x => x ^ (n + 1)) s).toFinset