-- Mathlib/RingTheory/Frobenius.lean
/-- Suppose `S` is a domain, and `φ : S →ₐ[R] S` is a Frobenius at `Q : Ideal S`.
Let `ζ` be a `m`-th root of unity with `Q ∤ m`, then `φ` sends `ζ` to `ζ ^ q`. -/
lemma apply_of_pow_eq_one [IsDomain S] {ζ : S} {m : ℕ} (hζ : ζ ^ m = 1) (hk' : ↑m ∉ Q) :
    φ ζ = ζ ^ Nat.card (R ⧸ Q.under R)

Proof state:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
j : ℕ
⊢ 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q

Tactic:
rw [← Ideal.mul_unit_mem_iff_mem _ ((hζ.isUnit k.pos_of_neZero).pow (i * j)),
  sub_mul, one_mul, ← pow_add, ← add_mul, tsub_add_cancel_of_le (by linarith), add_mul,
    pow_add, pow_mul _ k, hζ.1, one_pow, mul_one, pow_mul, e, ← map_pow, mul_comm, pow_mul]

Result:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
j : ℕ
⊢ φ (ζ ^ j) - (ζ ^ j) ^ q ∈ Q

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
have h₁ := sum_mem (t := Finset.range k) fun j _ ↦ this j

Result:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
have h₂ := geom_sum_mul (ζ ^ (q + k - i)) k

Result:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
h₂ : (∑ i_1 ∈ Finset.range k, (ζ ^ (q + k - i)) ^ i_1) * (ζ ^ (q + k - i) - 1) = (ζ ^ (q + k - i)) ^ k - 1
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.inr
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
h₂ : ζ ^ (q + k - i) * ζ ^ i = 1 * ζ ^ i
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
rw [one_mul, ← pow_add, tsub_add_cancel_of_le (by linarith), pow_add, hζ.1, mul_one] at h₂

Result:
case intro.intro.intro.intro.inr
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
h₂ : ζ ^ q = ζ ^ i
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.inl
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
h₂ : ∑ i_1 ∈ Finset.range k, (ζ ^ (q + k - i)) ^ i_1 = 0
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
simp [h₂, pow_mul, hk'] at h₁

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
have (j) : 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q := by
  rw [← Ideal.mul_unit_mem_iff_mem _ ((hζ.isUnit k.pos_of_neZero).pow (i * j)),
    sub_mul, one_mul, ← pow_add, ← add_mul, tsub_add_cancel_of_le (by linarith), add_mul,
      pow_add, pow_mul _ k, hζ.1, one_pow, mul_one, pow_mul, e, ← map_pow, mul_comm, pow_mul]
  exact H _

Result:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
h₂ : (∑ i_1 ∈ Finset.range k, (ζ ^ (q + k - i)) ^ i_1) * (ζ ^ (q + k - i) - 1) = (ζ ^ (q + k - i)) ^ k - 1
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
rw [pow_right_comm, hζ.1, one_pow, sub_self, mul_eq_zero, sub_eq_zero] at h₂

Result:
case intro.intro.intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
h₂ : ∑ i_1 ∈ Finset.range k, (ζ ^ (q + k - i)) ^ i_1 = 0 ∨ ζ ^ (q + k - i) = 1
⊢ φ ζ = ζ ^ q