-- Mathlib/RingTheory/Frobenius.lean
/-- Suppose `S` is a domain, and `φ : S →ₐ[R] S` is a Frobenius at `Q : Ideal S`.
Let `ζ` be a `m`-th root of unity with `Q ∤ m`, then `φ` sends `ζ` to `ζ ^ q`. -/
lemma apply_of_pow_eq_one [IsDomain S] {ζ : S} {m : ℕ} (hζ : ζ ^ m = 1) (hk' : ↑m ∉ Q) :
    φ ζ = ζ ^ Nat.card (R ⧸ Q.under R)

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.inr
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
h₂ : ζ ^ q = ζ ^ i
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
rw [h₂, e]

Result:
no goals

Proof state:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ : ζ ^ m = 1
hk' : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
⊢ m ≠ 0

Tactic:
rintro rfl

Result:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hζ : ζ ^ 0 = 1
hk' : ↑0 ∉ Q
⊢ False

Proof state:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ : ζ ^ m = 1
hk' : ↑m ∉ Q
⊢ φ ζ = ζ ^ Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)

Tactic:
set q := Nat.card (R ⧸ Q.under R)

Result:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ : ζ ^ m = 1
hk' : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hζ : ζ ^ 0 = 1
hk' : ↑0 ∉ Q
⊢ ↑0 ∈ Q

Tactic:
simp

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk' : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
have hk' : ↑k ∉ Q := fun h ↦ hk' (Q.mem_of_dvd (Nat.cast_dvd_cast (hζ.2 m ‹_›)) h)

Result:
case intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ : ζ ^ m = 1
hk' : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
obtain ⟨k, hk, hζ⟩ := IsPrimitiveRoot.exists_pos hζ hm

Result:
case intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk' : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
j : ℕ
⊢ i ≤ q + k

Tactic:
linarith

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
have : NeZero k := ⟨hk.ne'⟩

Result:
case intro.intro
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this : NeZero k
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ : ζ ^ m = 1
hk' : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
have hm : m ≠ 0 := by rintro rfl; exact hk' (by simp)

Result:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ : ζ ^ m = 1
hk' : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.inr
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
h₂ : ζ ^ (q + k - i) = 1
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Tactic:
replace h₂ := congr($h₂ * ζ ^ i)

Result:
case intro.intro.intro.intro.inr
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this✝ : NeZero k
i : ℕ
hi : i < k
e : ζ ^ i = φ ζ
this : ∀ (j : ℕ), 1 - ζ ^ ((q + k - i) * j) ∈ Q
h₁ : ∑ c ∈ Finset.range k, (1 - ζ ^ ((q + k - i) * c)) ∈ Q
h₂ : ζ ^ (q + k - i) * ζ ^ i = 1 * ζ ^ i
⊢ φ ζ = ζ ^ q

Proof state:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hζ : ζ ^ 0 = 1
hk' : ↑0 ∉ Q
⊢ False

Tactic:
exact hk' (by simp)

Result:
no goals

Proof state:
R : Type u_1
S : Type u_2
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : CommRing S
inst✝¹ : Algebra R S
φ : S →ₐ[R] S
Q : Ideal S
H : φ.IsArithFrobAt Q
inst✝ : IsDomain S
ζ : S
m : ℕ
hζ✝ : ζ ^ m = 1
hk'✝ : ↑m ∉ Q
q : ℕ := Nat.card (R ⧸ Ideal.under R Q)
hm : m ≠ 0
k : ℕ
hk : k > 0
hζ : IsPrimitiveRoot ζ k
hk' : ↑k ∉ Q
this : NeZero k
⊢ φ ζ ^ k = 1

Tactic:
rw [← map_pow, hζ.1, map_one]

Result:
no goals