-- 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:
case refine_3
p : ℕ
hp : Prime p
this✝¹ : 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)
this :
  (f b * ↑a - f a * ↑b - f d * ↑c - -f c * ↑d) ^ 2 + (f b * ↑b + f a * ↑a + f d * ↑d - -f c * ↑c) ^ 2 +
        (f b * ↑c - f a * ↑d + f d * ↑a + -f c * ↑b) ^ 2 +
      (f b * ↑d + f a * ↑c - f d * ↑b + -f c * ↑a) ^ 2 =
    ↑(m * r) * ↑(m * p)
⊢ ↑m ∣ f b * ↑c - f a * ↑d + f d * ↑a + -f c * ↑b

Tactic:
simp [← ZMod.intCast_zmod_eq_zero_iff_dvd, hf_mod, mul_comm]

Result:
no goals

Proof state:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝² : 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✝¹ : 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)
this✝ :
  (f b * ↑a - f a * ↑b - f d * ↑c - -f c * ↑d) ^ 2 + (f b * ↑b + f a * ↑a + f d * ↑d - -f c * ↑c) ^ 2 +
        (f b * ↑c - f a * ↑d + f d * ↑a + -f c * ↑b) ^ 2 +
      (f b * ↑d + f a * ↑c - f d * ↑b + -f c * ↑a) ^ 2 =
    ↑(m * r) * ↑(m * p)
this : ↑a ^ 2 + ↑b ^ 2 + ↑c ^ 2 + ↑d ^ 2 = 0
⊢ ↑m ∣ f b * ↑b + f a * ↑a + f d * ↑d - -f c * ↑c

Tactic:
simpa [← ZMod.intCast_zmod_eq_zero_iff_dvd, hf_mod, sq, add_comm, add_assoc,
  add_left_comm] using this

Result:
no goals

Proof state:
case pos.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)
⊢ False

Tactic:
obtain ⟨_, _, _, _, h⟩ := sum_four_squares_of_two_mul_sum_four_squares habcd

Result:
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

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
⊢ ↑(a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2) = 0

Tactic:
simp [habcd]

Result:
no goals

Proof state:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝¹ : 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)
this :
  (fun x1 x2 => x1 * ↑x2) (f b ^ 2 + f a ^ 2 + f d ^ 2 + (-f c) ^ 2) (a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2 + d ^ 2) =
    (fun x1 x2 => x1 * ↑x2) (↑(m * r)) (m * p)
⊢ ∃ 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:
simp only [← _root_.euler_four_squares, Nat.cast_add, Nat.cast_pow] at this

Result:
p : ℕ
hp : Prime p
this✝¹ : 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)
this :
  (f b * ↑a - f a * ↑b - f d * ↑c - -f c * ↑d) ^ 2 + (f b * ↑b + f a * ↑a + f d * ↑d - -f c * ↑c) ^ 2 +
        (f b * ↑c - f a * ↑d + f d * ↑a + -f c * ↑b) ^ 2 +
      (f b * ↑d + f a * ↑c - f d * ↑b + -f c * ↑a) ^ 2 =
    ↑(m * r) * ↑(m * p)
⊢ ∃ w x y z, ↑m ∣ w ∧ ↑m ∣ x ∧ ↑m ∣ y ∧ ↑m ∣ z ∧ w ^ 2 + x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 = ↑(m * r) * ↑(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
hr : (f a).natAbs ^ 2 + (f b).natAbs ^ 2 + (f c).natAbs ^ 2 + (f d).natAbs ^ 2 = m * 0
⊢ f a = 0 ∧ f b = 0 ∧ f c = 0 ∧ f d = 0

Tactic:
simpa [and_assoc] using hr

Result:
no goals