-- 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:
case h.e'_2.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
g : ι → R
h : ∀ (i : ι), (if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0) ∣ g i
i : ι
hj : ¬∃ j, f j = i
x : Fin n
a✝ : x ∈ Finset.univ
⊢ (if i = f x then ⋯.choose • a x else 0) = 0

Tactic:
rw [not_exists] at hj

Result:
case h.e'_2.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
g : ι → R
h : ∀ (i : ι), (if h : ∃ j, f j = i then a h.choose else 0) ∣ g i
i : ι
hj : ∀ (x : Fin n), ¬f x = i
x : Fin n
a✝ : x ∈ Finset.univ
⊢ (if i = f x then ⋯.choose • a x else 0) = 0

Proof state:
case convert_3
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
i : ι
hj : ∃ j, f j = i
j : Fin n
h : j ≠ hj.choose
hinj : f j ≠ i
⊢ (if i = f j then ⋯.choose • a j else 0) = 0

Tactic:
simp [hinj.symm]

Result:
no goals

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
snf : SmithNormalForm N ι n
⊢ N.toAddSubgroup.index =
    Nat.card R ^ (Fintype.card ι - n) * ∏ i : Fin n, (Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {snf.a i})).index

Tactic:
rcases snf with ⟨bM, bN, f, a, snf⟩

Result:
case mk
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.toAddSubgroup.index =
    Nat.card R ^ (Fintype.card ι - n) *
      ∏ i : Fin n, (Submodule.toAddSubgroup (Ideal.span {{ bM := bM, bN := bN, f := f, a := a, snf := snf }.a i})).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
c : Fin n → R
i : ι
h : ∃ j, f j = i
j : Fin n
hj : j ≠ h.choose
hinj : f j ≠ i
⊢ (c j • if i = f j then a j else 0) = 0

Tactic:
simp [hinj.symm]

Result:
no goals

Proof state:
case h.e'_2.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
c : Fin n → R
i : ι
h : ¬∃ j, f j = i
j : Fin n
a✝ : j ∈ Finset.univ
⊢ (c j • if i = f j then a j else 0) = 0

Tactic:
rw [not_exists] at h

Result:
case h.e'_2.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
c : Fin n → R
i : ι
h : ∀ (x : Fin n), ¬f x = i
j : Fin n
a✝ : j ∈ Finset.univ
⊢ (c j • if i = f j then a j else 0) = 0

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)
⊢ ∀ (i : Fin n), ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)

Tactic:
intro i

Result:
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)
i : Fin n
⊢ ↑(bN' i) = Pi.single (f i) (a i)