-- Mathlib/NumberTheory/Pell.lean
theorem exists_of_not_isSquare (h₀ : 0 < d) (hd : ¬IsSquare d) :
    ∃ x y : ℤ, x ^ 2 - d * y ^ 2 = 1 ∧ y ≠ 0

Proof state:
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
hm₀ : m ≠ 0
this : NeZero m.natAbs
f : ℚ → ZMod m.natAbs × ZMod m.natAbs := fun q => (↑q.num, ↑q.den)
q₁ : ℚ
h₁ : q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2 = m
q₂ : ℚ
h₂ : q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2 = m
hne : q₁ ≠ q₂
hqf : f q₁ = f q₂
hq1 : ↑q₁.num = ↑q₂.num
hq2 : ↑q₁.den = ↑q₂.den
⊢ ↑(q₂.num ^ 2 - d * ↑(q₂.den ^ 2)) = 0

Tactic:
rw [ZMod.intCast_zmod_eq_zero_iff_dvd, Int.natAbs_dvd, Nat.cast_pow, ← h₂]

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
this : NeZero m.natAbs
f : ℚ → ZMod m.natAbs × ZMod m.natAbs := fun q => (↑q.num, ↑q.den)
q₁ : ℚ
h₁ : q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2 = m
q₂ : ℚ
h₂ : q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2 = m
hne : q₁ ≠ q₂
hqf : f q₁ = f q₂
hq1 : ↑q₁.num = ↑q₂.num
hq2 : ↑q₁.den = ↑q₂.den
hd₁ : m ∣ q₁.num * q₂.num - d * (↑q₁.den * ↑q₂.den)
hd₂ : m ∣ q₁.num * ↑q₂.den - q₂.num * ↑q₁.den
hm₀ : ↑m ≠ 0
⊢ ∃ x y, x ^ 2 - d * y ^ 2 = 1 ∧ y ≠ 0

Tactic:
refine ⟨(q₁.num * q₂.num - d * (q₁.den * q₂.den)) / m, (q₁.num * q₂.den - q₂.num * q₁.den) / m,
    ?_, ?_⟩

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine_1
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
this : NeZero m.natAbs
f : ℚ → ZMod m.natAbs × ZMod m.natAbs := fun q => (↑q.num, ↑q.den)
q₁ : ℚ
h₁ : q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2 = m
q₂ : ℚ
h₂ : q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2 = m
hne : q₁ ≠ q₂
hqf : f q₁ = f q₂
hq1 : ↑q₁.num = ↑q₂.num
hq2 : ↑q₁.den = ↑q₂.den
hd₁ : m ∣ q₁.num * q₂.num - d * (↑q₁.den * ↑q₂.den)
hd₂ : m ∣ q₁.num * ↑q₂.den - q₂.num * ↑q₁.den
hm₀ : ↑m ≠ 0
⊢ ((q₁.num * q₂.num - d * (↑q₁.den * ↑q₂.den)) / m) ^ 2 - d * ((q₁.num * ↑q₂.den - q₂.num * ↑q₁.den) / m) ^ 2 = 1

case intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine_2
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
this : NeZero m.natAbs
f : ℚ → ZMod m.natAbs × ZMod m.natAbs := fun q => (↑q.num, ↑q.den)
q₁ : ℚ
h₁ : q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2 = m
q₂ : ℚ
h₂ : q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2 = m
hne : q₁ ≠ q₂
hqf : f q₁ = f q₂
hq1 : ↑q₁.num = ↑q₂.num
hq2 : ↑q₁.den = ↑q₂.den
hd₁ : m ∣ q₁.num * q₂.num - d * (↑q₁.den * ↑q₂.den)
hd₂ : m ∣ q₁.num * ↑q₂.den - q₂.num * ↑q₁.den
hm₀ : ↑m ≠ 0
⊢ (q₁.num * ↑q₂.den - q₂.num * ↑q₁.den) / m ≠ 0

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine_1
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
this : NeZero m.natAbs
f : ℚ → ZMod m.natAbs × ZMod m.natAbs := fun q => (↑q.num, ↑q.den)
q₁ : ℚ
h₁ : q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2 = m
q₂ : ℚ
h₂ : q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2 = m
hne : q₁ ≠ q₂
hqf : f q₁ = f q₂
hq1 : ↑q₁.num = ↑q₂.num
hq2 : ↑q₁.den = ↑q₂.den
hd₁ : m ∣ q₁.num * q₂.num - d * (↑q₁.den * ↑q₂.den)
hd₂ : m ∣ q₁.num * ↑q₂.den - q₂.num * ↑q₁.den
hm₀ : ↑m ≠ 0
⊢ (q₁.num * q₂.num - d * (↑q₁.den * ↑q₂.den)) ^ 2 - d * (q₁.num * ↑q₂.den - q₂.num * ↑q₁.den) ^ 2 =
    (q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2) * (q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2)

Tactic:
ring

Result:
no goals

Proof state:
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
q : ℚ
h : |↑q - ξ| < 1 / ↑q.den ^ 2
h0 : 0 < ↑q.den ^ 2
h1 : ↑q.num / ↑q.den = ↑q
⊢ 1 ≤ q.den

Tactic:
exact q.pos

Result:
no goals

Proof state:
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
⊢ ∃ x y, x ^ 2 - d * y ^ 2 = 1 ∧ y ≠ 0

Tactic:
have hξ : Irrational ξ := by
  refine irrational_nrt_of_notint_nrt 2 d (sq_sqrt <| Int.cast_nonneg.mpr h₀.le) ?_ two_pos
  rintro ⟨x, hx⟩
  refine hd ⟨x, @Int.cast_injective ℝ _ _ d (x * x) ?_⟩
  rw [← sq_sqrt <| Int.cast_nonneg.mpr h₀.le, Int.cast_mul, ← hx, sq]

Result:
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
⊢ ∃ x y, x ^ 2 - d * y ^ 2 = 1 ∧ y ≠ 0

Proof state:
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
hm₀ : m ≠ 0
this : NeZero m.natAbs
f : ℚ → ZMod m.natAbs × ZMod m.natAbs := fun q => (↑q.num, ↑q.den)
q₁ : ℚ
h₁ : q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2 = m
q₂ : ℚ
h₂ : q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2 = m
hne : q₁ ≠ q₂
hqf : f q₁ = f q₂
hq1 : ↑q₁.num = ↑q₂.num
hq2 : ↑q₁.den = ↑q₂.den
⊢ ↑(q₁.num * q₂.num - d * (↑q₁.den * ↑q₂.den)) = 0

Tactic:
push_cast

Result:
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
hm₀ : m ≠ 0
this : NeZero m.natAbs
f : ℚ → ZMod m.natAbs × ZMod m.natAbs := fun q => (↑q.num, ↑q.den)
q₁ : ℚ
h₁ : q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2 = m
q₂ : ℚ
h₂ : q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2 = m
hne : q₁ ≠ q₂
hqf : f q₁ = f q₂
hq1 : ↑q₁.num = ↑q₂.num
hq2 : ↑q₁.den = ↑q₂.den
⊢ ↑q₁.num * ↑q₂.num - ↑d * (↑q₁.den * ↑q₂.den) = 0

Proof state:
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
⊢ m ≠ 0

Tactic:
rintro rfl

Result:
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = 0}.Infinite
⊢ False

Proof state:
case intro.intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = 0}.Infinite
q : ℚ
a : ℤ
hq : a ^ 2 = d
ha : q.num = ↑q.den * a
⊢ False

Tactic:
exact hd ⟨a, sq a ▸ hq.symm⟩

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
hm₀ : m ≠ 0
this : NeZero m.natAbs
f : ℚ → ZMod m.natAbs × ZMod m.natAbs := fun q => (↑q.num, ↑q.den)
q₁ : ℚ
h₁ : q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2 = m
q₂ : ℚ
h₂ : q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2 = m
hne : q₁ ≠ q₂
hqf : f q₁ = f q₂
⊢ ∃ x y, x ^ 2 - d * y ^ 2 = 1 ∧ y ≠ 0

Tactic:
obtain ⟨hq1 : (q₁.num : ZMod m.natAbs) = q₂.num, hq2 : (q₁.den : ZMod m.natAbs) = q₂.den⟩ :=
  Prod.ext_iff.mp hqf

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
ξ : ℝ := √↑d
hξ : Irrational ξ
M : ℤ
hM₁ : 2 * |ξ| + 1 < ↑M
hM : {q | |q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2| < M}.Infinite
m : ℤ
hm : {q | q.num ^ 2 - d * ↑q.den ^ 2 = m}.Infinite
hm₀ : m ≠ 0
this : NeZero m.natAbs
f : ℚ → ZMod m.natAbs × ZMod m.natAbs := fun q => (↑q.num, ↑q.den)
q₁ : ℚ
h₁ : q₁.num ^ 2 - d * ↑q₁.den ^ 2 = m
q₂ : ℚ
h₂ : q₂.num ^ 2 - d * ↑q₂.den ^ 2 = m
hne : q₁ ≠ q₂
hqf : f q₁ = f q₂
hq1 : ↑q₁.num = ↑q₂.num
hq2 : ↑q₁.den = ↑q₂.den
⊢ ∃ x y, x ^ 2 - d * y ^ 2 = 1 ∧ y ≠ 0