-- Mathlib/Analysis/Convex/Jensen.lean
/-- Canonical form of the **equality case of Jensen's equality**.

For a strictly convex function `f` and positive weights `w`, we have
`f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)` if and only if the points `p` are all equal
(and in fact all equal to their center of mass wrt `w`). -/
lemma StrictConvexOn.map_sum_eq_iff {w : ι → 𝕜} {p : ι → E} (hf : StrictConvexOn 𝕜 s f)
    (h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i) (h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1) (hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s) :
    f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i) ↔ ∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
i₀ : ι
hi₀ : i₀ ∈ t
h_eq : f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)
i : ι
hi : i ∈ t
H : ∀ j ∈ t, p j = p i₀
⊢ p i = p i₀

Tactic:
rw [H _ hi]

Result:
no goals

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
i₀ : ι
hi₀ : i₀ ∈ t
h_eq : f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)
i : ι
hi : i ∈ t
H : ∀ j ∈ t, p j = p i₀
⊢ (∑ j ∈ t, w j) • p i₀ = ∑ j ∈ t, w j • p i₀

Tactic:
rw [sum_smul]

Result:
no goals

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
i₀ : ι
hi₀ : i₀ ∈ t
h_eq : f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)
i : ι
hi : i ∈ t
H : ∀ j ∈ t, p j = p i₀
⊢ 1 • p i₀ = (∑ j ∈ t, w j) • p i₀

Tactic:
rw [h₁]

Result:
no goals

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
h : ∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i
j : ι
hj : j ∈ t
⊢ w j • f (p j) = w j • f (∑ i ∈ t, w i • p i)

Tactic:
simp [h j hj]

Result:
no goals

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
i₀ : ι
hi₀ : i₀ ∈ t
h_eq : f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)
i : ι
hi : i ∈ t
H : ∀ j ∈ t, p j = p i₀
⊢ ∑ j ∈ t, w j • p i₀ = ∑ j ∈ t, w j • p j

Tactic:
congr! 2 with j hj

Result:
case a.h.e'_6
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
i₀ : ι
hi₀ : i₀ ∈ t
h_eq : f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)
i : ι
hi : i ∈ t
H : ∀ j ∈ t, p j = p i₀
j : ι
hj : j ∈ t
⊢ p i₀ = p j

Proof state:
case mpr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
⊢ (∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i) → f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)

Tactic:
intro h

Result:
case mpr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
h : ∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i
⊢ f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)

Proof state:
case mpr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
h : ∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i
⊢ f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)

Tactic:
have H : ∀ j ∈ t, w j • f (p j) = w j • f (∑ i ∈ t, w i • p i) := by
  intro j hj
  simp [h j hj]

Result:
case mpr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
h : ∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i
H : ∀ j ∈ t, w j • f (p j) = w j • f (∑ i ∈ t, w i • p i)
⊢ f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
i₀ : ι
hi₀ : i₀ ∈ t
h_eq : f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)
i : ι
hi : i ∈ t
H : ∀ j ∈ t, p j = p i₀
⊢ p i₀ = 1 • p i₀

Tactic:
simp

Result:
no goals

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
β : Type u_4
ι : Type u_5
inst✝⁵ : LinearOrderedField 𝕜
inst✝⁴ : AddCommGroup E
inst✝³ : OrderedAddCommGroup β
inst✝² : Module 𝕜 E
inst✝¹ : Module 𝕜 β
inst✝ : OrderedSMul 𝕜 β
s : Set E
f : E → β
t : Finset ι
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ t, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ t, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ t, p i ∈ s
i₀ : ι
hi₀ : i₀ ∈ t
h_eq : f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i)
i : ι
hi : i ∈ t
j : ι
hj : j ∈ t
⊢ p j = p i₀

Tactic:
apply hf.eq_of_le_map_sum h₀ h₁ hmem h_eq.ge hj hi₀

Result:
no goals