-- Mathlib/Analysis/CStarAlgebra/ApproximateUnit.lean
/-- This is a common reasoning sequence in C⋆-algebra theory. If `0 ≤ x ≤ y ≤ 1`, then the norm of
`z - y * z` is controlled by the norm of `star z * (1 - x) * z`, which is advantageous because the
latter is nonnegative. This is a key step in establishing the existence of an increasing approximate
unit in general C⋆-algebras. -/
lemma nnnorm_sub_mul_self_le {A : Type*} [CStarAlgebra A] [PartialOrder A] [StarOrderedRing A]
    {x y : A} (z : A) (hx₀ : 0 ≤ x) (hy : y ∈ Set.Icc x 1) {c : ℝ≥0}
    (h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2) :
    ‖z - y * z‖₊ ≤ c

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
⊢ ‖star z * (1 - star y) * ((1 - y) * z)‖₊ ≤ c ^ 2

Tactic:
have hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1 := ⟨hx₀.trans hy.1, hy.2⟩

Result:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ ‖star z * (1 - star y) * ((1 - y) * z)‖₊ ≤ c ^ 2

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ ‖star z * (1 - star y) * ((1 - y) * z)‖₊ ≤ c ^ 2

Tactic:
rw [hy₀.1.star_eq, ← mul_assoc, mul_assoc (star _), ← sq]

Result:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ ‖star z * (1 - y) ^ 2 * z‖₊ ≤ c ^ 2

Proof state:
case h
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ x ≤ y

Tactic:
exact hy.1

Result:
no goals

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ star z * (1 - y) ^ 2 * z ≤ star z * (1 - x) * z

Tactic:
refine conjugate_le_conjugate ?_ _

Result:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ (1 - y) ^ 2 ≤ 1 - x

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ 1 - y ≤ 1 - x

Tactic:
gcongr

Result:
case h
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ x ≤ y

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ (1 - y) ^ 2 ≤ 1 - x

Tactic:
trans (1 - y)

Result:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ (1 - y) ^ 2 ≤ 1 - y

A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ 1 - y ≤ 1 - x

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ ‖star z * (1 - y) ^ 2 * z‖₊ ≤ c ^ 2

Tactic:
refine nnnorm_le_nnnorm_of_nonneg_of_le (conjugate_nonneg (pow_nonneg hy'.1 2) _) ?_ |>.trans h

Result:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ star z * (1 - y) ^ 2 * z ≤ star z * (1 - x) * z

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
⊢ ‖z - y * z‖₊ ≤ c

Tactic:
nth_rw 1 [← one_mul z]

Result:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
⊢ ‖1 * z - y * z‖₊ ≤ c

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ ‖star z * (1 - star y) * ((1 - y) * z)‖₊ ≤ c ^ 2

Tactic:
have hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1 := Set.sub_mem_Icc_zero_iff_right.mpr hy₀

Result:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ ‖star z * (1 - star y) * ((1 - y) * z)‖₊ ≤ c ^ 2

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
⊢ ‖star ((1 - y) * z) * ((1 - y) * z)‖₊ ≤ c ^ 2

Tactic:
simp only [star_mul, star_sub, star_one]

Result:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
⊢ ‖star z * (1 - star y) * ((1 - y) * z)‖₊ ≤ c ^ 2

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
⊢ ‖1 * z - y * z‖₊ ≤ c

Tactic:
rw [← sqrt_sq c, le_sqrt_iff_sq_le, ← sub_mul, sq, ← CStarRing.nnnorm_star_mul_self]

Result:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
⊢ ‖star ((1 - y) * z) * ((1 - y) * z)‖₊ ≤ c ^ 2

Proof state:
A : Type u_2
inst✝² : CStarAlgebra A
inst✝¹ : PartialOrder A
inst✝ : StarOrderedRing A
x y z : A
hx₀ : 0 ≤ x
hy : y ∈ Set.Icc x 1
c : ℝ≥0
h : ‖star z * (1 - x) * z‖₊ ≤ c ^ 2
hy₀ : y ∈ Set.Icc 0 1
hy' : 1 - y ∈ Set.Icc 0 1
⊢ (1 - y) ^ 2 ≤ 1 - y

Tactic:
simpa using pow_antitone hy'.1 hy'.2 one_le_two

Result:
no goals