-- Mathlib/NumberTheory/Cyclotomic/PrimitiveRoots.lean
theorem norm_pow_sub_one_of_prime_pow_ne_two {k s : ℕ} (hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1)))
    [hpri : Fact (p : ℕ).Prime] [IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L]
    (hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1)) : ℕ) K)) (hs : s ≤ k)
    (htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2) : norm K (ζ ^ (p : ℕ) ^ s - 1) = (p : K) ^ (p : ℕ) ^ s

Proof state:
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
hη : IsPrimitiveRoot (η + 1) (↑p ^ (k + 1 - s))
this : IsCyclotomicExtension {p ^ (k - s + 1)} K ↥K⟮η⟯
⊢ (Algebra.norm K) η = ↑↑p ^ ↑p ^ s

Tactic:
replace hη : IsPrimitiveRoot (η₁ + 1) ↑(p ^ (k - s + 1)) := by
  apply coe_submonoidClass_iff.1
  convert hη using 1
  rw [Nat.sub_add_comm hs, pow_coe]

Result:
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
this : IsCyclotomicExtension {p ^ (k - s + 1)} K ↥K⟮η⟯
hη : IsPrimitiveRoot (η₁ + 1) ↑(p ^ (k - s + 1))
⊢ (Algebra.norm K) η = ↑↑p ^ ↑p ^ s

Proof state:
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
⊢ (Algebra.norm K) η = ↑↑p ^ ↑p ^ s

Tactic:
have hη : IsPrimitiveRoot (η + 1) ((p : ℕ) ^ (k + 1 - s)) := by
  rw [sub_add_cancel]
  refine IsPrimitiveRoot.pow (p ^ (k + 1)).pos hζ ?_
  rw [PNat.pow_coe, ← pow_add, add_comm s, Nat.sub_add_cancel (le_trans hs (Nat.le_succ k))]

Result:
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
hη : IsPrimitiveRoot (η + 1) (↑p ^ (k + 1 - s))
⊢ (Algebra.norm K) η = ↑↑p ^ ↑p ^ s

Proof state:
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
hη : IsPrimitiveRoot (η + 1) (↑p ^ (k + 1 - s))
HKη : K⟮η⟯ = K⟮η + 1⟯
H : K⟮η + 1⟯.toSubalgebra = adjoin K {η + 1}
⊢ IsPrimitiveRoot (η + 1) ↑(p ^ (k + 1 - s))

Tactic:
simpa using hη

Result:
no goals

Proof state:
case refine_1
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
hη : IsPrimitiveRoot (η + 1) (↑p ^ (k + 1 - s))
⊢ η + 1 - 1 ∈ K⟮η + 1⟯

Tactic:
exact sub_mem (IntermediateField.mem_adjoin_simple_self K (η + 1)) (one_mem _)

Result:
no goals

Proof state:
case refine_1
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
this✝¹ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k - s + 1)} K ↥K⟮η⟯
hη : IsPrimitiveRoot (η₁ + 1) ↑(p ^ (k - s + 1))
this✝ : FiniteDimensional K L
this : IsGalois K L
⊢ IsPrimePow ↑(p ^ (k - s + 1))

Tactic:
rw [PNat.pow_coe]

Result:
case refine_1
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
this✝¹ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k - s + 1)} K ↥K⟮η⟯
hη : IsPrimitiveRoot (η₁ + 1) ↑(p ^ (k - s + 1))
this✝ : FiniteDimensional K L
this : IsGalois K L
⊢ IsPrimePow (↑p ^ (k - s + 1))

Proof state:
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
hη : IsPrimitiveRoot (η + 1) (↑p ^ (k + 1 - s))
this : IsCyclotomicExtension {p ^ (k - s + 1)} K ↥K⟮η⟯
⊢ IsPrimitiveRoot (η₁ + 1) ↑(p ^ (k - s + 1))

Tactic:
apply coe_submonoidClass_iff.1

Result:
p : ℕ+
K : Type u
L : Type v
inst✝³ : Field L
ζ : L
inst✝² : Field K
inst✝¹ : Algebra K L
k s : ℕ
hζ : IsPrimitiveRoot ζ ↑(p ^ (k + 1))
hpri : Fact (Nat.Prime ↑p)
inst✝ : IsCyclotomicExtension {p ^ (k + 1)} K L
hirr : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k + 1))) K)
hs : s ≤ k
htwo : p ^ (k - s + 1) ≠ 2
hirr₁ : Irreducible (cyclotomic (↑(p ^ (k - s + 1))) K)
η : L := ζ ^ ↑p ^ s - 1
η₁ : ↥K⟮η⟯ := IntermediateField.AdjoinSimple.gen K η
hη : IsPrimitiveRoot (η + 1) (↑p ^ (k + 1 - s))
this : IsCyclotomicExtension {p ^ (k - s + 1)} K ↥K⟮η⟯
⊢ IsPrimitiveRoot ↑(η₁ + 1) ↑(p ^ (k - s + 1))