-- Mathlib/NumberTheory/Zsqrtd/QuadraticReciprocity.lean
theorem mod_four_eq_three_of_nat_prime_of_prime (p : ℕ) [hp : Fact p.Prime]
    (hpi : Prime (p : ℤ[i])) : p % 4 = 3 :=
  hp.1.eq_two_or_odd.elim
    (fun hp2 => by
      have := hpi.irreducible.isUnit_or_isUnit (a := ⟨1, 1⟩) (b := ⟨1, -1⟩)
      simp [hp2, Zsqrtd.ext_iff, ← norm_eq_one_iff, norm_def] at this)
    fun hp1 =>
    by_contradiction fun hp3 : p % 4 ≠ 3 => by
      have hp41 : p % 4 = 1

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
⊢ ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }

Tactic:
ext <;> simp [sq]

Result:
no goals

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ZMod p
hk : -1 = k * k
⊢ False

Tactic:
obtain ⟨k, k_lt_p, rfl⟩ : ∃ (k' : ℕ) (_ : k' < p), (k' : ZMod p) = k := by
  exact ⟨k.val, k.val_lt, ZMod.natCast_zmod_val k⟩

Result:
case intro.intro
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
⊢ False

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
hkltp : 1 + k * k < p * p
x✝ : ↑p ∣ { re := ↑k, im := -1 }
x : ℤ[i]
hx : { re := ↑k, im := -1 } = ↑p * x
⊢ { re := ↑k, im := -1 }.norm.natAbs < (Zsqrtd.norm ↑p).natAbs

Tactic:
simpa [add_comm, Zsqrtd.norm] using hkltp

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
hkltp : 1 + k * k < p * p
hpk₁ : ¬↑p ∣ { re := ↑k, im := -1 }
⊢ False

Tactic:
have hpk₂ : ¬(p : ℤ[i]) ∣ ⟨k, 1⟩ := fun ⟨x, hx⟩ =>
  lt_irrefl (p * x : ℤ[i]).norm.natAbs <|
    calc
      (norm (p * x : ℤ[i])).natAbs = (Zsqrtd.norm ⟨k, 1⟩).natAbs := by rw [hx]
      _ < (norm (p : ℤ[i])).natAbs := by simpa [add_comm, Zsqrtd.norm] using hkltp
      _ ≤ (norm (p * x : ℤ[i])).natAbs :=
        norm_le_norm_mul_left _ fun hx0 =>
          show (1 : ℤ) ≠ 0 by decide <| by simpa [hx0] using congr_arg Zsqrtd.im hx

Result:
case intro.intro
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
hkltp : 1 + k * k < p * p
hpk₁ : ¬↑p ∣ { re := ↑k, im := -1 }
hpk₂ : ¬↑p ∣ { re := ↑k, im := 1 }
⊢ False

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
⊢ 1 + k * k ≤ k + k * k

Tactic:
apply add_le_add_right

Result:
case bc
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
⊢ 1 ≤ k

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
hkltp : 1 + k * k < p * p
x✝ : ↑p ∣ { re := ↑k, im := -1 }
x : ℤ[i]
hx : { re := ↑k, im := -1 } = ↑p * x
hx0 : x = 0
⊢ -1 ≠ 0

Tactic:
decide

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
hkltp : 1 + k * k < p * p
hpk₁ : ¬↑p ∣ { re := ↑k, im := -1 }
hpk₂ : ¬↑p ∣ { re := ↑k, im := 1 }
y : ℕ
hy : k ^ 2 + 1 = p * y
this : ↑p ∣ { re := ↑k, im := 1 } ∨ ↑p ∣ { re := ↑k, im := -1 }
⊢ False

Tactic:
tauto

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
hkltp : 1 + k * k < p * p
⊢ False

Tactic:
have hpk₁ : ¬(p : ℤ[i]) ∣ ⟨k, -1⟩ := fun ⟨x, hx⟩ =>
  lt_irrefl (p * x : ℤ[i]).norm.natAbs <|
    calc
      (norm (p * x : ℤ[i])).natAbs = (Zsqrtd.norm ⟨k, -1⟩).natAbs := by rw [hx]
      _ < (norm (p : ℤ[i])).natAbs := by simpa [add_comm, Zsqrtd.norm] using hkltp
      _ ≤ (norm (p * x : ℤ[i])).natAbs :=
        norm_le_norm_mul_left _ fun hx0 =>
          show (-1 : ℤ) ≠ 0 by decide <| by simpa [hx0] using congr_arg Zsqrtd.im hx

Result:
case intro.intro
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
hkltp : 1 + k * k < p * p
hpk₁ : ¬↑p ∣ { re := ↑k, im := -1 }
⊢ False

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
⊢ False

Tactic:
have hp41 : p % 4 = 1 := by omega

Result:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
⊢ False

Proof state:
case intro.intro
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
⊢ False

Tactic:
have hkltp : 1 + k * k < p * p :=
  calc
    1 + k * k ≤ k + k * k := by
      apply add_le_add_right
      exact (Nat.pos_of_ne_zero fun (hk0 : k = 0) => by clear_aux_decl; simp_all [pow_succ'])
    _ = k * (k + 1) := by simp [add_comm, mul_add]
    _ < p * p := mul_lt_mul k_lt_p k_lt_p (Nat.succ_pos _) (Nat.zero_le _)

Result:
case intro.intro
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
hkltp : 1 + k * k < p * p
⊢ False

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
⊢ False

Tactic:
let ⟨k, hk⟩ := (ZMod.exists_sq_eq_neg_one_iff (p := p)).2 <| by rw [hp41]; decide

Result:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ZMod p
hk : -1 = k * k
⊢ False

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
⊢ p % 4 ≠ 3

Tactic:
rw [hp41]

Result:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
⊢ 1 ≠ 3

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp2 : p = 2
⊢ p % 4 = 3

Tactic:
have := hpi.irreducible.isUnit_or_isUnit (a := ⟨1, 1⟩) (b := ⟨1, -1⟩)

Result:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp2 : p = 2
this : ↑p = { re := 1, im := 1 } * { re := 1, im := -1 } → IsUnit { re := 1, im := 1 } ∨ IsUnit { re := 1, im := -1 }
⊢ p % 4 = 3

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp2 : p = 2
this : ↑p = { re := 1, im := 1 } * { re := 1, im := -1 } → IsUnit { re := 1, im := 1 } ∨ IsUnit { re := 1, im := -1 }
⊢ p % 4 = 3

Tactic:
simp [hp2, Zsqrtd.ext_iff, ← norm_eq_one_iff, norm_def] at this

Result:
no goals

Proof state:
p : ℕ
hp : Fact (Nat.Prime p)
hpi : Prime ↑p
hp1 : p % 2 = 1
hp3 : p % 4 ≠ 3
hp41 : p % 4 = 1
k : ℕ
k_lt_p : k < p
hk : -1 = ↑k * ↑k
hpk : p ∣ k ^ 2 + 1
hkmul : ↑k ^ 2 + 1 = { re := ↑k, im := 1 } * { re := ↑k, im := -1 }
hk0 : k = 0
⊢ False

Tactic:
simp_all [pow_succ']

Result:
no goals