-- Mathlib/NumberTheory/Pell.lean
theorem existsUnique_pos_generator (h₀ : 0 < d) (hd : ¬IsSquare d) :
    ∃! a₁ : Solution₁ d,
      1 < a₁.x ∧ 0 < a₁.y ∧ ∀ a : Solution₁ d, ∃ n : ℤ, a = a₁ ^ n ∨ a = -a₁ ^ n

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl.inr
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : -a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1) = 1
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

Tactic:
rw [← zpow_zero a₁, eq_comm] at hn₁

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl.inr
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ ^ 0 = -a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1)
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

Proof state:
case intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
H : 1 < a.x ∧ 0 < a.y ∧ ∀ (a_1 : Solution₁ d), ∃ n, a_1 = a ^ n ∨ a_1 = -a ^ n
⊢ a = a₁

Tactic:
obtain ⟨Hx, Hy, H⟩ := H

Result:
case intro.intro.intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
Hx : 1 < a.x
Hy : 0 < a.y
H : ∀ (a_1 : Solution₁ d), ∃ n, a_1 = a ^ n ∨ a_1 = -a ^ n
⊢ a = a₁

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
Hx : 1 < a.x
Hy : 0 < a.y
H : ∀ (a_1 : Solution₁ d), ∃ n, a_1 = a ^ n ∨ a_1 = -a ^ n
n₁ : ℤ
hn₁ : a₁ = a ^ n₁ ∨ a₁ = -a ^ n₁
n₂ : ℤ
hn₂ : a = a₁ ^ n₂ ∨ a = -a₁ ^ n₂
⊢ a = a₁

Tactic:
rcases hn₂ with (rfl | rfl)

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ = (a₁ ^ n₂) ^ n₁ ∨ a₁ = -(a₁ ^ n₂) ^ n₁
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

case intro.intro.intro.intro.intro.inr
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (-a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (-a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (-a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(-a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ = (-a₁ ^ n₂) ^ n₁ ∨ a₁ = -(-a₁ ^ n₂) ^ n₁
⊢ -a₁ ^ n₂ = a₁

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl.inr
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ ^ 0 = -a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1)
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

Tactic:
exact False.elim (ha₁.zpow_ne_neg_zpow hn₁)

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.inr
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : (a₁ ^ n₂).x < -1
Hy : 0 < (-a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (-a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(-a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ = (-a₁ ^ n₂) ^ n₁ ∨ a₁ = -(-a₁ ^ n₂) ^ n₁
this : 0 < -1
⊢ -a₁ ^ n₂ = a₁

Tactic:
norm_num at this

Result:
no goals

Proof state:
case intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
⊢ ∃! a₁, 1 < a₁.x ∧ 0 < a₁.y ∧ ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = a₁ ^ n ∨ a = -a₁ ^ n

Tactic:
refine ⟨a₁, ⟨ha₁.1, ha₁.2.1, ha₁.eq_zpow_or_neg_zpow⟩, fun a (H : 1 < _ ∧ _) => ?_⟩

Result:
case intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
H : 1 < a.x ∧ 0 < a.y ∧ ∀ (a_1 : Solution₁ d), ∃ n, a_1 = a ^ n ∨ a_1 = -a ^ n
⊢ a = a₁

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1) = 1 ∨ -a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1) = 1
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

Tactic:
rcases hn₁ with hn₁ | hn₁

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl.inl
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1) = 1
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

case intro.intro.intro.intro.intro.inl.inr
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : -a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1) = 1
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

Proof state:
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
⊢ ∃! a₁, 1 < a₁.x ∧ 0 < a₁.y ∧ ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = a₁ ^ n ∨ a = -a₁ ^ n

Tactic:
obtain ⟨a₁, ha₁⟩ := IsFundamental.exists_of_not_isSquare h₀ hd

Result:
case intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
⊢ ∃! a₁, 1 < a₁.x ∧ 0 < a₁.y ∧ ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = a₁ ^ n ∨ a = -a₁ ^ n

Proof state:
case intro.intro.intro.intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
Hx : 1 < a.x
Hy : 0 < a.y
H : ∀ (a_1 : Solution₁ d), ∃ n, a_1 = a ^ n ∨ a_1 = -a ^ n
n₁ : ℤ
hn₁ : a₁ = a ^ n₁ ∨ a₁ = -a ^ n₁
⊢ a = a₁

Tactic:
obtain ⟨n₂, hn₂⟩ := ha₁.eq_zpow_or_neg_zpow a

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
a : Solution₁ d
Hx : 1 < a.x
Hy : 0 < a.y
H : ∀ (a_1 : Solution₁ d), ∃ n, a_1 = a ^ n ∨ a_1 = -a ^ n
n₁ : ℤ
hn₁ : a₁ = a ^ n₁ ∨ a₁ = -a ^ n₁
n₂ : ℤ
hn₂ : a = a₁ ^ n₂ ∨ a = -a₁ ^ n₂
⊢ a = a₁

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl.inl
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1) = 1
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

Tactic:
rcases Int.isUnit_iff.mp
    (isUnit_of_mul_eq_one _ _ <|
      sub_eq_zero.mp <| (ha₁.zpow_eq_one_iff (n₂ * n₁ - 1)).mp hn₁) with
  (rfl | rfl)

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl.inl.inl
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ 1).x
Hy : 0 < (a₁ ^ 1).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ 1) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ 1) ^ n
hn₁ : a₁ ^ (1 * n₁ - 1) = 1
⊢ a₁ ^ 1 = a₁

case intro.intro.intro.intro.intro.inl.inl.inr
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ (-1)).x
Hy : 0 < (a₁ ^ (-1)).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ (-1)) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ (-1)) ^ n
hn₁ : a₁ ^ (-1 * n₁ - 1) = 1
⊢ a₁ ^ (-1) = a₁

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ = (a₁ ^ n₂) ^ n₁ ∨ a₁ = -(a₁ ^ n₂) ^ n₁
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

Tactic:
rw [← zpow_mul, eq_comm, @eq_comm _ a₁, ← mul_inv_eq_one, ← @mul_inv_eq_one _ _ _ a₁, ←
  zpow_neg_one, neg_mul, ← zpow_add, ← sub_eq_add_neg] at hn₁

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ n₂ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ n₂).x
Hy : 0 < (a₁ ^ n₂).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ n₂) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ n₂) ^ n
hn₁ : a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1) = 1 ∨ -a₁ ^ (n₂ * n₁ - 1) = 1
⊢ a₁ ^ n₂ = a₁

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl.inl.inl
d : ℤ
h₀ : 0 < d
hd : ¬IsSquare d
a₁ : Solution₁ d
ha₁ : IsFundamental a₁
n₁ : ℤ
Hx : 1 < (a₁ ^ 1).x
Hy : 0 < (a₁ ^ 1).y
H : ∀ (a : Solution₁ d), ∃ n, a = (a₁ ^ 1) ^ n ∨ a = -(a₁ ^ 1) ^ n
hn₁ : a₁ ^ (1 * n₁ - 1) = 1
⊢ a₁ ^ 1 = a₁

Tactic:
rw [zpow_one]

Result:
no goals