-- Mathlib/GroupTheory/SpecificGroups/ZGroup.lean
theorem smul_mul_inv_trivial_or_surjective [IsCyclic G] (hG : IsPGroup p G)
    {K : Type*} [Group K] [MulDistribMulAction K G] (hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)) :
    (∀ g : G, ∀ k : K, k • g * g⁻¹ = 1) ∨ (∀ g : G, ∃ k : K, ∃ q : G, k • q * q⁻¹ = g)

Proof state:
case neg.inr.intro.intro.mk
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p✝ : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p✝)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
k : K
hk : ¬ϕ k = 1
u v : ZMod (Nat.card G)
hvu : v.cast * u.cast ≡ 1 [ZMOD ↑(Nat.card G)]
hu : ↑u.cast = ϕ k - 1
p : G
⊢ k • p ^ v.cast * (p ^ v.cast)⁻¹ = p ^ 1

Tactic:
rw [h (p ^ v.cast) k u.cast hu.symm, ← zpow_mul, zpow_eq_zpow_iff_modEq]

Result:
case neg.inr.intro.intro.mk
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p✝ : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p✝)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
k : K
hk : ¬ϕ k = 1
u v : ZMod (Nat.card G)
hvu : v.cast * u.cast ≡ 1 [ZMOD ↑(Nat.card G)]
hu : ↑u.cast = ϕ k - 1
p : G
⊢ v.cast * u.cast ≡ 1 [ZMOD ↑(orderOf p)]

Proof state:
case neg.inr.intro.intro.mk
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
k : K
hk : ¬ϕ k = 1
u v : ZMod (Nat.card G)
hvu : v.cast * u.cast ≡ 1 [ZMOD ↑(Nat.card G)]
hu : ↑u.cast = ϕ k - 1
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Tactic:
refine Or.inr fun p ↦ zpow_one p ▸ ⟨k, p ^ (v.cast : ℤ), ?_⟩

Result:
case neg.inr.intro.intro.mk
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p✝ : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p✝)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
k : K
hk : ¬ϕ k = 1
u v : ZMod (Nat.card G)
hvu : v.cast * u.cast ≡ 1 [ZMOD ↑(Nat.card G)]
hu : ↑u.cast = ϕ k - 1
p : G
⊢ k • p ^ v.cast * (p ^ v.cast)⁻¹ = p ^ 1

Proof state:
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p✝ : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p✝)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
hϕ : ∀ (a : K), ϕ a = 1
p : G
k : K
⊢ k • p * p⁻¹ = 1

Tactic:
rw [h p k 0 (by rw [hϕ, sub_self, Int.cast_zero]), zpow_zero]

Result:
no goals

Proof state:
case neg
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Tactic:
let ϕ := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K rfl

Result:
case neg
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Proof state:
case intro
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
k : K
n : ℕ
hn : Nat.card G = p ^ n
⊢ ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)

Tactic:
exact ZMod.eq_one_or_isUnit_sub_one hn (ϕ k)
  (hGK.symm.coprime_dvd_left ((orderOf_map_dvd ϕ k).trans (orderOf_dvd_natCard k)))

Result:
no goals

Proof state:
case neg.inr.intro.intro.mk
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
k : K
hk : ¬ϕ k = 1
u v : ZMod (Nat.card G)
hvu : v * u = 1
hu : u = ϕ k - 1
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Tactic:
rw [← u.intCast_zmod_cast] at hu hvu

Result:
case neg.inr.intro.intro.mk
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
k : K
hk : ¬ϕ k = 1
u v : ZMod (Nat.card G)
hvu : v * ↑u.cast = 1
hu : ↑u.cast = ϕ k - 1
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Proof state:
case neg.inr.intro.intro.mk
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p✝ : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p✝)
inst✝² : IsCyclic G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
this : Finite G
ϕ : K →* ZMod (Nat.card G) := MulDistribMulAction.toMonoidHomZModOfIsCyclic G K ⋯
h : ∀ (g : G) (k : K) (n : ℤ), ϕ k - 1 = ↑n → k • g * g⁻¹ = g ^ n
hG : ∀ (k : K), ϕ k = 1 ∨ IsUnit (ϕ k - 1)
k : K
hk : ¬ϕ k = 1
u v : ZMod (Nat.card G)
hvu : v.cast * u.cast ≡ 1 [ZMOD ↑(Nat.card G)]
hu : ↑u.cast = ϕ k - 1
p : G
⊢ v.cast * u.cast ≡ 1 [ZMOD ↑(orderOf p)]

Tactic:
exact hvu.of_dvd (Int.natCast_dvd_natCast.mpr (orderOf_dvd_natCard p))

Result:
no goals

Proof state:
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

Tactic:
by_cases hc : Nat.card G = 0

Result:
case pos
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : Nat.card G = 0
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g

case neg
G : Type u_1
inst✝⁴ : Group G
p : ℕ
inst✝³ : Fact (Nat.Prime p)
inst✝² : IsCyclic G
hG : IsPGroup p G
K : Type u_4
inst✝¹ : Group K
inst✝ : MulDistribMulAction K G
hGK : (Nat.card G).Coprime (Nat.card K)
hc : ¬Nat.card G = 0
⊢ (∀ (g : G) (k : K), k • g * g⁻¹ = 1) ∨ ∀ (g : G), ∃ k q, k • q * q⁻¹ = g