-- Mathlib/NumberTheory/SumFourSquares.lean
theorem Prime.sum_four_squares {p : ℕ} (hp : p.Prime) :
    ∃ a b c d : ℕ, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = p

Proof state:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
r : ℕ
hr : (f a).natAbs ^ 2 + (f b).natAbs ^ 2 + (f c).natAbs ^ 2 + (f d).natAbs ^ 2 = m * r
hr₀ : 0 < r
hrm : r < m
w x y z : ℤ
hw : ↑m ∣ w
hx : ↑m ∣ x
hy : ↑m ∣ y
hz : ↑m ∣ z
h : w ^ 2 + x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 = ↑(m * r) * ↑(m * p)
⊢ (w / ↑m) ^ 2 + (x / ↑m) ^ 2 + (y / ↑m) ^ 2 + (z / ↑m) ^ 2 = ↑(r * p)

Tactic:
refine mul_left_cancel₀ (pow_ne_zero 2 (Nat.cast_ne_zero.2 hm₀.ne')) ?_

Result:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
r : ℕ
hr : (f a).natAbs ^ 2 + (f b).natAbs ^ 2 + (f c).natAbs ^ 2 + (f d).natAbs ^ 2 = m * r
hr₀ : 0 < r
hrm : r < m
w x y z : ℤ
hw : ↑m ∣ w
hx : ↑m ∣ x
hy : ↑m ∣ y
hz : ↑m ∣ z
h : w ^ 2 + x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 = ↑(m * r) * ↑(m * p)
⊢ ↑m ^ 2 * ((w / ↑m) ^ 2 + (x / ↑m) ^ 2 + (y / ↑m) ^ 2 + (z / ↑m) ^ 2) = ↑m ^ 2 * ↑(r * p)

Proof state:
case pos.intro.intro.intro.intro.intro
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
a b c d m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < 2 * m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : 2 * m < p
hm₀ : 0 < m
hm₁ : 1 < 2 * m
this : NeZero (2 * m)
hm₂ : m < 2 * m
habcd : ↑a ^ 2 + ↑b ^ 2 + ↑c ^ 2 + ↑d ^ 2 = 2 * (↑m * ↑p)
w✝³ w✝² w✝¹ w✝ : ℤ
h : w✝³ ^ 2 + w✝² ^ 2 + w✝¹ ^ 2 + w✝ ^ 2 = ↑m * ↑p
⊢ False

Tactic:
exact hmin m hm₂ ⟨hm₂.trans hmp, hm₀, _, _, _, _, natAbs_iff.2 h⟩

Result:
no goals

Proof state:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
r : ℕ
hr : (f a).natAbs ^ 2 + (f b).natAbs ^ 2 + (f c).natAbs ^ 2 + (f d).natAbs ^ 2 = m * r
hr₀ : 0 < r
hrm : r < m
⊢ (f b).natAbs ^ 2 + (f a).natAbs ^ 2 + (f d).natAbs ^ 2 + (f c).natAbs ^ 2 =
    (f a).natAbs ^ 2 + (f b).natAbs ^ 2 + (f c).natAbs ^ 2 + (f d).natAbs ^ 2

Tactic:
ac_rfl

Result:
no goals

Proof state:
case neg.intro.intro.intro.inl
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
hr : (f a).natAbs ^ 2 + (f b).natAbs ^ 2 + (f c).natAbs ^ 2 + (f d).natAbs ^ 2 = m * 0
⊢ False

Tactic:
replace hr : f a = 0 ∧ f b = 0 ∧ f c = 0 ∧ f d = 0 := by simpa [and_assoc] using hr

Result:
case neg.intro.intro.intro.inl
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
hr : f a = 0 ∧ f b = 0 ∧ f c = 0 ∧ f d = 0
⊢ False

Proof state:
p : ℕ
hp : Prime p
this : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
⊢ ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p

Tactic:
obtain ⟨a, b, k, hk₀, hkp, hk⟩ := exists_sq_add_sq_add_one_eq_mul p

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro
p : ℕ
hp : Prime p
this : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
a b k : ℕ
hk₀ : 0 < k
hkp : k < p
hk : a ^ 2 + b ^ 2 + 1 = k * p
⊢ ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p

Proof state:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
r : ℕ
hr : (f a).natAbs ^ 2 + (f b).natAbs ^ 2 + (f c).natAbs ^ 2 + (f d).natAbs ^ 2 = m * r
hr₀ : 0 < r
hrm : r < m
⊢ ∃ w x y z, ↑m ∣ w ∧ ↑m ∣ x ∧ ↑m ∣ y ∧ ↑m ∣ z ∧ w ^ 2 + x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 = ↑(m * r) * ↑(m * p)

Tactic:
replace hr : (f b) ^ 2 + (f a) ^ 2 + (f d) ^ 2 + (-f c) ^ 2 = ↑(m * r) := by
  rw [← natAbs_iff, natAbs_neg, ← hr]
  ac_rfl

Result:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝ : Fact (Prime p)
natAbs_iff :
  ∀ {a b c d : ℤ} {k : ℕ},
    a.natAbs ^ 2 + b.natAbs ^ 2 + c.natAbs ^ 2 + d.natAbs ^ 2 = k ↔ a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = ↑k
hm✝ : ∃ m < p, 0 < m ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
m : ℕ
hmin : ∀ m_1 < m, ¬(m_1 < p ∧ 0 < m_1 ∧ ∃ a b c d, a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m_1 * p)
hmp : m < p
hm₀ : 0 < m
a b c d : ℕ
habcd : a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2 = m * p
hm₁ : 1 < m
this : NeZero m
hm : ¬2 ∣ m
f : ℕ → ℤ
hf_lt : ∀ (x : ℕ), 2 * (f x).natAbs < m
hf_mod : ∀ (x : ℕ), ↑(f x) = ↑x
r : ℕ
hr₀ : 0 < r
hrm : r < m
hr : f b ^ 2 + f a ^ 2 + f d ^ 2 + (-f c) ^ 2 = ↑(m * r)
⊢ ∃ w x y z, ↑m ∣ w ∧ ↑m ∣ x ∧ ↑m ∣ y ∧ ↑m ∣ z ∧ w ^ 2 + x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 = ↑(m * r) * ↑(m * p)