-- 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:
case mp.inl
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
w : ι → 𝕜
p : ι → E
hf : StrictConvexOn 𝕜 s f
h₀ : ∀ i ∈ ∅, 0 < w i
h₁ : ∑ i ∈ ∅, w i = 1
hmem : ∀ i ∈ ∅, p i ∈ s
⊢ f (∑ i ∈ ∅, w i • p i) = ∑ i ∈ ∅, w i • f (p i) → ∀ j ∈ ∅, p j = ∑ i ∈ ∅, w i • p i

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 ∈ t, p j = p i₀

Tactic:
intro j hj

Result:
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

Proof state:
case mp.inr.intro
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 = ∑ i ∈ t, w i • p i

Tactic:
calc p i = p i₀ := by rw [H _ hi]
  _ = (1 : 𝕜) • p i₀ := by simp
  _ = (∑ j ∈ t, w j) • p i₀ := by rw [h₁]
  _ = ∑ j ∈ t, (w j • p i₀) := by rw [sum_smul]
  _ = ∑ j ∈ t, (w j • p j) := by congr! 2 with j hj; rw [← H _ hj]

Result:
no goals

Proof state:
case mp.inr.intro
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
⊢ p i = ∑ i ∈ t, w i • p i

Tactic:
have H : ∀ j ∈ t, p j = p i₀ := by
  intro j hj
  apply hf.eq_of_le_map_sum h₀ h₁ hmem h_eq.ge hj hi₀

Result:
case mp.inr.intro
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 = ∑ 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
h : ∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i
⊢ ∀ j ∈ t, w j • f (p j) = w j • f (∑ i ∈ t, w i • p i)

Tactic:
intro j hj

Result:
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)

Proof state:
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

Tactic:
rw [← H _ 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
⊢ f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i) ↔ ∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i

Tactic:
constructor

Result:
case mp
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
⊢ f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i) → ∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i

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)

Proof state:
case mp.inr.intro
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
⊢ f (∑ i ∈ t, w i • p i) = ∑ i ∈ t, w i • f (p i) → ∀ j ∈ t, p j = ∑ i ∈ t, w i • p i

Tactic:
intro h_eq i hi

Result:
case mp.inr.intro
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
⊢ p i = ∑ i ∈ t, w i • p i