-- Mathlib/Algebra/Module/PID.lean
theorem torsion_by_prime_power_decomposition (hN : Module.IsTorsion' N (Submonoid.powers p))
    [h' : Module.Finite R N] :
    ∃ (d : ℕ) (k : Fin d → ℕ), Nonempty <| N ≃ₗ[R] ⨁ i : Fin d, R ⧸ R ∙ p ^ (k i : ℕ)

Proof state:
case h.succ.intro.refine_3.intro.intro.refine_2
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
d : ℕ
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin (d + 1) → N
hs : Submodule.span R (Set.range s) = ⊤
this✝ : (x : N) → Decidable (x = 0)
j : Fin d.succ
hj : IsTorsionBy R N (p ^ pOrder hN (s j))
s' : Fin d → N ⧸ Submodule.span R {s j} := Submodule.Quotient.mk ∘ s ∘ j.succAbove
k : Fin d → ℕ
f : (N ⧸ Submodule.span R {s j}) ≃ₗ[R] ⨁ (i : Fin d), R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}
this :
  ∀ (i : Fin d),
    ∃ x,
      p ^ k i • x = 0 ∧
        f (Submodule.Quotient.mk x) = (DirectSum.lof R (Fin d) (fun i => R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}) i) 1
⊢ N ≃ₗ[R]
    ⨁ (i : Fin (d + 1)), R ⧸ Submodule.span R {p ^ (fun i => Option.rec (pOrder hN (s j)) k i) ((finSuccEquiv d) i)}

Tactic:
refine (((lequivProdOfRightSplitExact
  (g := (f.trans ULift.moduleEquiv.{u, u, v}.symm).toLinearMap.comp <| mkQ _)
  (f := (DirectSum.toModule _ _ _ fun i => (liftQSpanSingleton (p ^ k i)
      (LinearMap.toSpanSingleton _ _ _) (this i).choose_spec.left : R ⧸ _ →ₗ[R] _)).comp
    ULift.moduleEquiv.toLinearMap) (R ∙ s j).injective_subtype ?_ ?_).symm.trans
  (((quotTorsionOfEquivSpanSingleton R N (s j)).symm.trans
  (quotEquivOfEq (torsionOf R N (s j)) _
  (Ideal.torsionOf_eq_span_pow_pOrder hp hN (s j)))).prod
  (ULift.moduleEquiv))).trans
  (@DirectSum.lequivProdDirectSum R _ _
  (fun i => R ⧸ R ∙ p ^ @Option.rec _ (fun _ => ℕ) (pOrder hN <| s j) k i) _ _).symm).trans
  (DirectSum.lequivCongrLeft R (finSuccEquiv d).symm)

Result:
case h.succ.intro.refine_3.intro.intro.refine_2.refine_1
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
d : ℕ
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin (d + 1) → N
hs : Submodule.span R (Set.range s) = ⊤
this✝ : (x : N) → Decidable (x = 0)
j : Fin d.succ
hj : IsTorsionBy R N (p ^ pOrder hN (s j))
s' : Fin d → N ⧸ Submodule.span R {s j} := Submodule.Quotient.mk ∘ s ∘ j.succAbove
k : Fin d → ℕ
f : (N ⧸ Submodule.span R {s j}) ≃ₗ[R] ⨁ (i : Fin d), R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}
this :
  ∀ (i : Fin d),
    ∃ x,
      p ^ k i • x = 0 ∧
        f (Submodule.Quotient.mk x) = (DirectSum.lof R (Fin d) (fun i => R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}) i) 1
⊢ LinearMap.range (Submodule.span R {s j}).subtype =
    LinearMap.ker (↑(f ≪≫ₗ ULift.moduleEquiv.symm) ∘ₗ (Submodule.span R {s j}).mkQ)

case h.succ.intro.refine_3.intro.intro.refine_2.refine_2
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
d : ℕ
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin (d + 1) → N
hs : Submodule.span R (Set.range s) = ⊤
this✝ : (x : N) → Decidable (x = 0)
j : Fin d.succ
hj : IsTorsionBy R N (p ^ pOrder hN (s j))
s' : Fin d → N ⧸ Submodule.span R {s j} := Submodule.Quotient.mk ∘ s ∘ j.succAbove
k : Fin d → ℕ
f : (N ⧸ Submodule.span R {s j}) ≃ₗ[R] ⨁ (i : Fin d), R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}
this :
  ∀ (i : Fin d),
    ∃ x,
      p ^ k i • x = 0 ∧
        f (Submodule.Quotient.mk x) = (DirectSum.lof R (Fin d) (fun i => R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}) i) 1
⊢ (↑(f ≪≫ₗ ULift.moduleEquiv.symm) ∘ₗ (Submodule.span R {s j}).mkQ) ∘ₗ
      (DirectSum.toModule R (Fin d) N fun i =>
          liftQSpanSingleton (p ^ k i) (LinearMap.toSpanSingleton R N ⋯.choose) ⋯) ∘ₗ
        ↑ULift.moduleEquiv =
    LinearMap.id

Proof state:
case intro.intro
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
d : ℕ
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin (d + 1) → N
hs : Submodule.span R (Set.range s) = ⊤
this : (x : N) → Decidable (x = 0)
j : Fin d.succ
hj : IsTorsionBy R N (p ^ pOrder hN (s j))
s' : Fin d → N ⧸ Submodule.span R {s j} := Submodule.Quotient.mk ∘ s ∘ j.succAbove
k : Fin d → ℕ
f : (N ⧸ Submodule.span R {s j}) ≃ₗ[R] ⨁ (i : Fin d), R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}
i : Fin d
fi : R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i} →ₗ[R] N ⧸ Submodule.span R {s j} :=
  ↑f.symm ∘ₗ DirectSum.lof R (Fin d) (fun i => R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}) i
x : N
h0 : p ^ k i • x = 0
h1 : Submodule.Quotient.mk x = fi 1
⊢ ∃ x,
    p ^ k i • x = 0 ∧
      f (Submodule.Quotient.mk x) = (DirectSum.lof R (Fin d) (fun i => R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}) i) 1

Tactic:
refine ⟨x, h0, ?_⟩

Result:
case intro.intro
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
d : ℕ
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin (d + 1) → N
hs : Submodule.span R (Set.range s) = ⊤
this : (x : N) → Decidable (x = 0)
j : Fin d.succ
hj : IsTorsionBy R N (p ^ pOrder hN (s j))
s' : Fin d → N ⧸ Submodule.span R {s j} := Submodule.Quotient.mk ∘ s ∘ j.succAbove
k : Fin d → ℕ
f : (N ⧸ Submodule.span R {s j}) ≃ₗ[R] ⨁ (i : Fin d), R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}
i : Fin d
fi : R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i} →ₗ[R] N ⧸ Submodule.span R {s j} :=
  ↑f.symm ∘ₗ DirectSum.lof R (Fin d) (fun i => R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}) i
x : N
h0 : p ^ k i • x = 0
h1 : Submodule.Quotient.mk x = fi 1
⊢ f (Submodule.Quotient.mk x) = (DirectSum.lof R (Fin d) (fun i => R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i}) i) 1

Proof state:
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin 0 → N
hs : ⊥ = ⊤
x : N
⊢ x ∈ ⊤

Tactic:
exact Submodule.mem_top

Result:
no goals

Proof state:
case h.zero
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin 0 → N
hs : Submodule.span R (Set.range s) = ⊤
⊢ ∃ k, Nonempty (N ≃ₗ[R] ⨁ (i : Fin 0), R ⧸ Submodule.span R {p ^ k i})

Tactic:
use finZeroElim

Result:
case h
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin 0 → N
hs : Submodule.span R (Set.range s) = ⊤
⊢ Nonempty (N ≃ₗ[R] ⨁ (i : Fin 0), R ⧸ Submodule.span R {p ^ finZeroElim i})

Proof state:
case h
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin 0 → N
hs : Submodule.span R (Set.range s) = ⊤
⊢ Nonempty (N ≃ₗ[R] ⨁ (i : Fin 0), R ⧸ Submodule.span R {p ^ finZeroElim i})

Tactic:
rw [Set.range_eq_empty, Submodule.span_empty] at hs

Result:
case h
R : Type u
inst✝⁴ : CommRing R
inst✝³ : IsPrincipalIdealRing R
inst✝² : IsDomain R
p : R
hp : Irreducible p
N : Type (max u v)
inst✝¹ : AddCommGroup N
inst✝ : Module R N
hN : IsTorsion' N ↥(Submonoid.powers p)
s : Fin 0 → N
hs : ⊥ = ⊤
⊢ Nonempty (N ≃ₗ[R] ⨁ (i : Fin 0), R ⧸ Submodule.span R {p ^ finZeroElim i})