-- Mathlib/RingTheory/Polynomial/Dickson.lean
theorem dickson_one_one_zmod_p (p : ℕ) [Fact p.Prime] : dickson 1 (1 : ZMod p) p = X ^ p

Proof state:
case intro.intro.intro.a.h.a
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Infinite K
⊢ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Infinite

Tactic:
intro h

Result:
case intro.intro.intro.a.h.a
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Infinite K
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
⊢ False

Proof state:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type := FractionRing (ZMod p)[X]
f : ZMod p →+* K := (algebraMap (ZMod p)[X] (FractionRing (ZMod p)[X])).comp C
⊢ ∃ K x, ∃ (_ : CharP K p), Infinite K

Tactic:
have : CharP K p := by
  rw [← f.charP_iff_charP]
  infer_instance

Result:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type := FractionRing (ZMod p)[X]
f : ZMod p →+* K := (algebraMap (ZMod p)[X] (FractionRing (ZMod p)[X])).comp C
this : CharP K p
⊢ ∃ K x, ∃ (_ : CharP K p), Infinite K

Proof state:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H✝ : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
x✝ : x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}
φ : K[X] := X ^ 2 - C x * X + 1
H : φ = 0
⊢ eval 0 φ = 0

Tactic:
rw [H, eval_zero]

Result:
no goals

Proof state:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type := FractionRing (ZMod p)[X]
⊢ ∃ K x, ∃ (_ : CharP K p), Infinite K

Tactic:
let f : ZMod p →+* K := (algebraMap _ (FractionRing _)).comp C

Result:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type := FractionRing (ZMod p)[X]
f : ZMod p →+* K := (algebraMap (ZMod p)[X] (FractionRing (ZMod p)[X])).comp C
⊢ ∃ K x, ∃ (_ : CharP K p), Infinite K

Proof state:
case intro.intro.intro.a
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Infinite K
⊢ dickson 1 ((ZMod.castHom ⋯ K) 1) p = X ^ p

Tactic:
apply eq_of_infinite_eval_eq

Result:
case intro.intro.intro.a.h
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Infinite K
⊢ {x | eval x (dickson 1 ((ZMod.castHom ⋯ K) 1) p) = eval x (X ^ p)}.Infinite

Proof state:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type := FractionRing (ZMod p)[X]
f : ZMod p →+* K := (algebraMap (ZMod p)[X] (FractionRing (ZMod p)[X])).comp C
⊢ CharP K p

Tactic:
rw [← f.charP_iff_charP]

Result:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type := FractionRing (ZMod p)[X]
f : ZMod p →+* K := (algebraMap (ZMod p)[X] (FractionRing (ZMod p)[X])).comp C
⊢ CharP (ZMod p) p

Proof state:
case intro.intro.intro
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Infinite K
⊢ dickson 1 1 p = X ^ p

Tactic:
apply map_injective (ZMod.castHom (dvd_refl p) K) (RingHom.injective _)

Result:
case intro.intro.intro.a
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Infinite K
⊢ map (ZMod.castHom ⋯ K) (dickson 1 1 p) = map (ZMod.castHom ⋯ K) (X ^ p)

Proof state:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
⊢ (⋃ x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}, {y | x = y + y⁻¹ ∨ y = 0}).Finite

Tactic:
refine h.biUnion fun x _ => ?_

Result:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
x✝ : x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}
⊢ {y | x = y + y⁻¹ ∨ y = 0}.Finite

Proof state:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
x✝ : x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}
⊢ {y | x = y + y⁻¹ ∨ y = 0}.Finite

Tactic:
let φ : K[X] := X ^ 2 - C x * X + 1

Result:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
x✝ : x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}
φ : K[X] := X ^ 2 - C x * X + 1
⊢ {y | x = y + y⁻¹ ∨ y = 0}.Finite

Proof state:
case h.e'_2.h
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
x✝ : x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}
φ : K[X] := X ^ 2 - C x * X + 1
hφ : φ ≠ 0
y : K
⊢ x = y + y⁻¹ ∨ y = 0 ↔ y ^ 2 - x * y + 1 = 0 ∨ y = 0

Tactic:
by_cases hy : y = 0

Result:
case pos
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
x✝ : x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}
φ : K[X] := X ^ 2 - C x * X + 1
hφ : φ ≠ 0
y : K
hy : y = 0
⊢ x = y + y⁻¹ ∨ y = 0 ↔ y ^ 2 - x * y + 1 = 0 ∨ y = 0

case neg
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
x✝ : x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}
φ : K[X] := X ^ 2 - C x * X + 1
hφ : φ ≠ 0
y : K
hy : ¬y = 0
⊢ x = y + y⁻¹ ∨ y = 0 ↔ y ^ 2 - x * y + 1 = 0 ∨ y = 0

Proof state:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
⊢ ∃ K x, ∃ (_ : CharP K p), Infinite K

Tactic:
let K := FractionRing (Polynomial (ZMod p))

Result:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type := FractionRing (ZMod p)[X]
⊢ ∃ K x, ∃ (_ : CharP K p), Infinite K

Proof state:
case neg
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
hx : ¬x = 0
⊢ ∃ i, (∃ y, i = y + y⁻¹ ∧ ¬y = 0) ∧ (i = x + x⁻¹ ∨ x = 0)

Tactic:
simp only [hx, or_false, exists_eq_right]

Result:
case neg
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
hx : ¬x = 0
⊢ ∃ y, x + x⁻¹ = y + y⁻¹ ∧ ¬y = 0

Proof state:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
x✝ : x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}
φ : K[X] := X ^ 2 - C x * X + 1
⊢ {y | x = y + y⁻¹ ∨ y = 0}.Finite

Tactic:
have hφ : φ ≠ 0 := by
  intro H
  have : φ.eval 0 = 0 := by rw [H, eval_zero]
  simpa [φ, eval_X, eval_one, eval_pow, eval_sub, sub_zero, eval_add, eval_mul,
    mul_zero, sq, zero_add, one_ne_zero]

Result:
p : ℕ
inst✝ : Fact (Nat.Prime p)
K : Type
w✝¹ : Field K
w✝ : CharP K p
H : Set.univ.Infinite
h : {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}.Finite
x : K
x✝ : x ∈ {x | ∃ y, x = y + y⁻¹ ∧ y ≠ 0}
φ : K[X] := X ^ 2 - C x * X + 1
hφ : φ ≠ 0
⊢ {y | x = y + y⁻¹ ∨ y = 0}.Finite