-- Mathlib/LinearAlgebra/FreeModule/Int.lean
/-- Given a submodule `N` in Smith normal form of a free `R`-module, its index as an additive
subgroup is an appropriate power of the cardinality of `R` multiplied by the product of the
indexes of the ideals generated by each basis vector. -/
lemma toAddSubgroup_index_eq_pow_mul_prod [Module R M] {N : Submodule R M}
    (snf : Basis.SmithNormalForm N ι n) :
    N.toAddSubgroup.index = Nat.card R ^ (Fintype.card ι - n) *
      ∏ i : Fin n, (Ideal.span {snf.a i}).toAddSubgroup.index

Proof state:
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN'✝ : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
hN' :
  N'.toAddSubgroup =
    AddSubgroup.pi Set.univ fun i => Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0})
i : Fin n
⊢ f i ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ

Tactic:
simp

Result:
no goals

Proof state:
case h
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN'✝ : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
hN' :
  N'.toAddSubgroup =
    AddSubgroup.pi Set.univ fun i => Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0})
f' : Fin n → { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := fun i => ⟨f i, ⋯⟩
hf' : Function.Injective f'
f'' : Fin n ↪ { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := { toFun := f', inj' := hf' }
x : { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ }
hx : ↑x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ
⊢ ∃ a, f'' a = x

Tactic:
simp only [Finset.univ_filter_exists, Finset.mem_image, Finset.mem_univ, true_and] at hx

Result:
case h
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN'✝ : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
hN' :
  N'.toAddSubgroup =
    AddSubgroup.pi Set.univ fun i => Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0})
f' : Fin n → { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := fun i => ⟨f i, ⋯⟩
hf' : Function.Injective f'
f'' : Fin n ↪ { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := { toFun := f', inj' := hf' }
x : { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ }
hx : ∃ a, f a = ↑x
⊢ ∃ a, f'' a = x

Proof state:
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN'✝ : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
hN' :
  N'.toAddSubgroup =
    AddSubgroup.pi Set.univ fun i => Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0})
f' : Fin n → { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := fun i => ⟨f i, ⋯⟩
i j : Fin n
hij : ↑(f' i) = ↑(f' j)
⊢ i = j

Tactic:
exact f.injective hij

Result:
no goals

Proof state:
case h.refine_2
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN' : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
g : ι → R
h : ∀ (i : ι), (if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0) ∣ g i
⊢ ∃ c, g = ∑ x : Fin n, c x • Pi.single (f x) (a x)

Tactic:
refine ⟨fun j ↦ (h (f j)).choose, ?_⟩

Result:
case h.refine_2
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN' : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
g : ι → R
h : ∀ (i : ι), (if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0) ∣ g i
⊢ g = ∑ x : Fin n, (fun j => Exists.choose ⋯) x • Pi.single (f x) (a x)

Proof state:
case mk.e_a
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN'✝ : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
hN' :
  N'.toAddSubgroup =
    AddSubgroup.pi Set.univ fun i => Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0})
⊢ ∏ x : { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ },
      (Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {a ⋯.choose})).index =
    ∏ i : Fin n, (Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {a i})).index

Tactic:
let f' : Fin n → { x // x ∈ Finset.filter (fun x ↦ ∃ j, f j = x) Finset.univ } :=
  fun i ↦ ⟨f i, by simp⟩

Result:
case mk.e_a
ι : Type u_1
R : Type u_2
M : Type u_3
n : ℕ
inst✝³ : CommRing R
inst✝² : AddCommGroup M
inst✝¹ : Fintype ι
inst✝ : Module R M
N : Submodule R M
bM : Basis ι R M
bN : Basis (Fin n) R ↥N
f : Fin n ↪ ι
a : Fin n → R
snf : ∀ (i : Fin n), ↑(bN i) = a i • bM (f i)
N' : Submodule R (ι → R) := Submodule.map bM.equivFun N
hN'✝ : N' = Submodule.map bM.equivFun N
bN' : Basis (Fin n) R ↥N' := bN.map (bM.equivFun.submoduleMap N)
snf' : ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)
hNN' : N.toAddSubgroup.index = N'.toAddSubgroup.index
hN' :
  N'.toAddSubgroup =
    AddSubgroup.pi Set.univ fun i => Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0})
f' : Fin n → { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ } := fun i => ⟨f i, ⋯⟩
⊢ ∏ x : { x // x ∈ Finset.filter (fun x => ∃ j, f j = x) Finset.univ },
      (Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {a ⋯.choose})).index =
    ∏ i : Fin n, (Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {a i})).index