-- Mathlib/Analysis/NormedSpace/HahnBanach/Separation.lean
theorem separate_convex_open_set [TopologicalSpace E] [AddCommGroup E] [IsTopologicalAddGroup E]
    [Module ℝ E] [ContinuousSMul ℝ E] {s : Set E} (hs₀ : (0 : E) ∈ s) (hs₁ : Convex ℝ s)
    (hs₂ : IsOpen s) {x₀ : E} (hx₀ : x₀ ∉ s) : ∃ f : E →L[ℝ] ℝ, f x₀ = 1 ∧ ∀ x ∈ s, f x < 1

Proof state:
case refine_2.intro.intro
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
φ : E →ₗ[ℝ] ℝ
hφ₁ : ∀ (x : ↥f.domain), φ ↑x = ↑f x
hφ₂ : ∀ (x : E), φ x ≤ gauge s x
hφ₃ : φ x₀ = 1
hφ₄ : ∀ x ∈ s, φ x < 1
⊢ ∃ f, f x₀ = 1 ∧ ∀ x ∈ s, f x < 1

Tactic:
refine ⟨⟨φ, ?_⟩, hφ₃, hφ₄⟩

Result:
case refine_2.intro.intro
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
φ : E →ₗ[ℝ] ℝ
hφ₁ : ∀ (x : ↥f.domain), φ ↑x = ↑f x
hφ₂ : ∀ (x : E), φ x ≤ gauge s x
hφ₃ : φ x₀ = 1
hφ₄ : ∀ x ∈ s, φ x < 1
⊢ Continuous φ.toFun

Proof state:
case refine_1.mk.intro.inr
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
y : ℝ
hx : y • x₀ ∈ f.domain
h : 0 < y
⊢ y ≤ gauge s (y • x₀)

Tactic:
rw [gauge_smul_of_nonneg h.le, smul_eq_mul, le_mul_iff_one_le_right h]

Result:
case refine_1.mk.intro.inr
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
y : ℝ
hx : y • x₀ ∈ f.domain
h : 0 < y
⊢ 1 ≤ gauge s x₀

Proof state:
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
⊢ ∃ f, f x₀ = 1 ∧ ∀ x ∈ s, f x < 1

Tactic:
let f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 (ne_of_mem_of_not_mem hs₀ hx₀).symm

Result:
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
⊢ ∃ f, f x₀ = 1 ∧ ∀ x ∈ s, f x < 1

Proof state:
case refine_2.intro.intro
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
φ : E →ₗ[ℝ] ℝ
hφ₁ : ∀ (x : ↥f.domain), φ ↑x = ↑f x
hφ₂ : ∀ (x : E), φ x ≤ gauge s x
hφ₃ : φ x₀ = 1
hφ₄ : ∀ x ∈ s, φ x < 1
⊢ Continuous φ.toFun

Tactic:
refine
  φ.continuous_of_nonzero_on_open _ (hs₂.vadd (-x₀)) (Nonempty.vadd_set ⟨0, hs₀⟩)
    (vadd_set_subset_iff.mpr fun x hx => ?_)

Result:
case refine_2.intro.intro
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
φ : E →ₗ[ℝ] ℝ
hφ₁ : ∀ (x : ↥f.domain), φ ↑x = ↑f x
hφ₂ : ∀ (x : E), φ x ≤ gauge s x
hφ₃ : φ x₀ = 1
hφ₄ : ∀ x ∈ s, φ x < 1
x : E
hx : x ∈ s
⊢ -x₀ +ᵥ x ∈ fun x => φ x = 0 → False

Proof state:
case refine_2.intro.intro
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
φ : E →ₗ[ℝ] ℝ
hφ₁ : ∀ (x : ↥f.domain), φ ↑x = ↑f x
hφ₂ : ∀ (x : E), φ x ≤ gauge s x
hφ₃ : φ x₀ = 1
hφ₄ : ∀ x ∈ s, φ x < 1
x : E
hx : x ∈ s
⊢ -φ x₀ + φ x ≠ 0

Tactic:
specialize hφ₄ x hx

Result:
case refine_2.intro.intro
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
φ : E →ₗ[ℝ] ℝ
hφ₁ : ∀ (x : ↥f.domain), φ ↑x = ↑f x
hφ₂ : ∀ (x : E), φ x ≤ gauge s x
hφ₃ : φ x₀ = 1
x : E
hx : x ∈ s
hφ₄ : φ x < 1
⊢ -φ x₀ + φ x ≠ 0

Proof state:
case refine_2.intro.intro
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
φ : E →ₗ[ℝ] ℝ
hφ₁ : ∀ (x : ↥f.domain), φ ↑x = ↑f x
hφ₂ : ∀ (x : E), φ x ≤ gauge s x
⊢ ∃ f, f x₀ = 1 ∧ ∀ x ∈ s, f x < 1

Tactic:
have hφ₃ : φ x₀ = 1 := by
  rw [← f.domain.coe_mk x₀ (Submodule.mem_span_singleton_self _), hφ₁,
    LinearPMap.mkSpanSingleton'_apply_self]

Result:
case refine_2.intro.intro
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
φ : E →ₗ[ℝ] ℝ
hφ₁ : ∀ (x : ↥f.domain), φ ↑x = ↑f x
hφ₂ : ∀ (x : E), φ x ≤ gauge s x
hφ₃ : φ x₀ = 1
⊢ ∃ f, f x₀ = 1 ∧ ∀ x ∈ s, f x < 1

Proof state:
case refine_1.mk
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
x : E
hx : x ∈ f.domain
⊢ ↑f ⟨x, hx⟩ ≤ gauge s ↑⟨x, hx⟩

Tactic:
obtain ⟨y, rfl⟩ := Submodule.mem_span_singleton.1 hx

Result:
case refine_1.mk.intro
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
y : ℝ
hx : y • x₀ ∈ f.domain
⊢ ↑f ⟨y • x₀, hx⟩ ≤ gauge s ↑⟨y • x₀, hx⟩

Proof state:
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
φ : E →ₗ[ℝ] ℝ
hφ₁ : ∀ (x : ↥f.domain), φ ↑x = ↑f x
hφ₂ : ∀ (x : E), φ x ≤ gauge s x
⊢ φ x₀ = 1

Tactic:
rw [← f.domain.coe_mk x₀ (Submodule.mem_span_singleton_self _), hφ₁,
  LinearPMap.mkSpanSingleton'_apply_self]

Result:
no goals

Proof state:
case refine_1
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
⊢ ∀ (x : ↥f.domain), ↑f x ≤ gauge s ↑x

Tactic:
rintro ⟨x, hx⟩

Result:
case refine_1.mk
E : Type u_2
inst✝⁴ : TopologicalSpace E
inst✝³ : AddCommGroup E
inst✝² : IsTopologicalAddGroup E
inst✝¹ : Module ℝ E
inst✝ : ContinuousSMul ℝ E
s : Set E
hs₀ : 0 ∈ s
hs₁ : Convex ℝ s
hs₂ : IsOpen s
x₀ : E
hx₀ : x₀ ∉ s
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ := LinearPMap.mkSpanSingleton x₀ 1 ⋯
x : E
hx : x ∈ f.domain
⊢ ↑f ⟨x, hx⟩ ≤ gauge s ↑⟨x, hx⟩