-- Mathlib/GroupTheory/SchurZassenhaus.lean
theorem step2 (K : Subgroup G) [K.Normal] (hK : K ≤ N) : K = ⊥ ∨ K = N

Proof state:
case intro
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
h5 : Nat.card (G ⧸ K) < Nat.card G
h6 : (Nat.card ↥(map (QuotientGroup.mk' K) N)).Coprime (map (QuotientGroup.mk' K) N).index
H : Subgroup (G ⧸ K)
hH : (map (QuotientGroup.mk' K) N).IsComplement' H
⊢ ∃ K, K ⊔ N = ⊤ ∧ K ≠ ⊤

Tactic:
refine ⟨H.comap (QuotientGroup.mk' K), ?_, ?_⟩

Result:
case intro.refine_1
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
h5 : Nat.card (G ⧸ K) < Nat.card G
h6 : (Nat.card ↥(map (QuotientGroup.mk' K) N)).Coprime (map (QuotientGroup.mk' K) N).index
H : Subgroup (G ⧸ K)
hH : (map (QuotientGroup.mk' K) N).IsComplement' H
⊢ comap (QuotientGroup.mk' K) H ⊔ N = ⊤

case intro.refine_2
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
h5 : Nat.card (G ⧸ K) < Nat.card G
h6 : (Nat.card ↥(map (QuotientGroup.mk' K) N)).Coprime (map (QuotientGroup.mk' K) N).index
H : Subgroup (G ⧸ K)
hH : (map (QuotientGroup.mk' K) N).IsComplement' H
⊢ comap (QuotientGroup.mk' K) H ≠ ⊤

Proof state:
case intro.refine_1
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
h5 : Nat.card (G ⧸ K) < Nat.card G
h6 : (Nat.card ↥(map (QuotientGroup.mk' K) N)).Coprime (map (QuotientGroup.mk' K) N).index
H : Subgroup (G ⧸ K)
hH : (map (QuotientGroup.mk' K) N).IsComplement' H
⊢ comap (QuotientGroup.mk' K) H ⊔ N = ⊤

Tactic:
have key : (N.map (QuotientGroup.mk' K)).comap (QuotientGroup.mk' K) = N := by
  refine comap_map_eq_self ?_
  rwa [QuotientGroup.ker_mk']

Result:
case intro.refine_1
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
h5 : Nat.card (G ⧸ K) < Nat.card G
h6 : (Nat.card ↥(map (QuotientGroup.mk' K) N)).Coprime (map (QuotientGroup.mk' K) N).index
H : Subgroup (G ⧸ K)
hH : (map (QuotientGroup.mk' K) N).IsComplement' H
key : comap (QuotientGroup.mk' K) (map (QuotientGroup.mk' K) N) = N
⊢ comap (QuotientGroup.mk' K) H ⊔ N = ⊤

Proof state:
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
h5 : Nat.card (G ⧸ K) < Nat.card G
⊢ (Nat.card ↥(map (QuotientGroup.mk' K) N)).Coprime (map (QuotientGroup.mk' K) N).index

Tactic:
have index_map := N.index_map_eq this (by rwa [QuotientGroup.ker_mk'])

Result:
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
h5 : Nat.card (G ⧸ K) < Nat.card G
index_map : (map (QuotientGroup.mk' K) N).index = N.index
⊢ (Nat.card ↥(map (QuotientGroup.mk' K) N)).Coprime (map (QuotientGroup.mk' K) N).index

Proof state:
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
h5 : Nat.card (G ⧸ K) < Nat.card G
index_map : (map (QuotientGroup.mk' K) N).index = N.index
index_pos : 0 < N.index
⊢ (Nat.card ↥(map (QuotientGroup.mk' K) N)).Coprime (map (QuotientGroup.mk' K) N).index

Tactic:
rw [index_map]

Result:
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
h5 : Nat.card (G ⧸ K) < Nat.card G
index_map : (map (QuotientGroup.mk' K) N).index = N.index
index_pos : 0 < N.index
⊢ (Nat.card ↥(map (QuotientGroup.mk' K) N)).Coprime N.index

Proof state:
G : Type u
inst✝³ : Group G
N : Subgroup G
inst✝² : N.Normal
h1 : (Nat.card ↥N).Coprime N.index
h2 :
  ∀ (G' : Type u) [inst : Group G'] [inst_1 : Finite G'],
    Nat.card G' < Nat.card G →
      ∀ {N' : Subgroup G'} [inst_2 : N'.Normal], (Nat.card ↥N').Coprime N'.index → ∃ H', N'.IsComplement' H'
h3 : ∀ (H : Subgroup G), ¬N.IsComplement' H
inst✝¹ : Finite G
K : Subgroup G
inst✝ : K.Normal
hK : K ≤ N
this : Function.Surjective ⇑(QuotientGroup.mk' K)
h4 : K ≠ ⊥ ∧ K ≠ N
⊢ K.index < K.index * Nat.card ↥K

Tactic:
refine
  lt_mul_of_one_lt_right (Nat.pos_of_ne_zero index_ne_zero_of_finite)
    (K.one_lt_card_iff_ne_bot.mpr h4.1)

Result:
no goals