-- Mathlib/Analysis/InnerProductSpace/Projection.lean
theorem norm_eq_iInf_iff_real_inner_le_zero {K : Set F} (h : Convex ℝ K) {u : F} {v : F}
    (hv : v ∈ K) : (‖u - v‖ = ⨅ w : K, ‖u - w‖) ↔ ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Proof state:
case hw
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
⊢ θ • w + (1 - θ) • v ∈ K

Tactic:
apply h hw hv

Result:
case hw.a
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
⊢ 0 ≤ θ

case hw.a
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
⊢ 0 ≤ 1 - θ

case hw.a
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
⊢ θ + (1 - θ) = 1

Proof state:
case neg
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
this : ∀ (θ : ℝ), 0 < θ → θ ≤ 1 → 2 * p ≤ θ * q
hq : ¬q = 0
q_pos : 0 < q
hp : 0 < ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
θ : ℝ := 1 ⊓ p / q
eq₁ : θ * q ≤ p
⊢ False

Tactic:
have : 2 * p ≤ p :=
  calc
    2 * p ≤ θ * q := by
      exact this θ (lt_min (by norm_num) (div_pos hp q_pos)) (by norm_num [θ])
    _ ≤ p := eq₁

Result:
case neg
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝¹ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
this✝ : ∀ (θ : ℝ), 0 < θ → θ ≤ 1 → 2 * p ≤ θ * q
hq : ¬q = 0
q_pos : 0 < q
hp : 0 < ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
θ : ℝ := 1 ⊓ p / q
eq₁ : θ * q ≤ p
this : 2 * p ≤ p
⊢ False

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h✝ : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
w : ↑K
this : ⟪u - v, ↑w - v⟫_ℝ ≤ 0
⊢ ‖u - v - (↑w - v)‖ ^ 2 = ‖u - ↑w‖ * ‖u - ↑w‖

Tactic:
have : u - v - (w - v) = u - w := by abel

Result:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h✝ : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝¹ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
w : ↑K
this✝ : ⟪u - v, ↑w - v⟫_ℝ ≤ 0
this : u - v - (↑w - v) = u - ↑w
⊢ ‖u - v - (↑w - v)‖ ^ 2 = ‖u - ↑w‖ * ‖u - ↑w‖

Proof state:
case mp
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Tactic:
have (θ : ℝ) (hθ₁ : 0 < θ) (hθ₂ : θ ≤ 1) : 2 * p ≤ θ * q := by
  have : ‖u - v‖ ^ 2 ≤ ‖u - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ + θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 :=
    calc ‖u - v‖ ^ 2
      _ ≤ ‖u - (θ • w + (1 - θ) • v)‖ ^ 2 := by
        simp only [sq]; apply mul_self_le_mul_self (norm_nonneg _)
        rw [eq]; apply δ_le'
        apply h hw hv
        exacts [le_of_lt hθ₁, sub_nonneg.2 hθ₂, add_sub_cancel _ _]
      _ = ‖u - v - θ • (w - v)‖ ^ 2 := by
        have : u - (θ • w + (1 - θ) • v) = u - v - θ • (w - v) := by
          rw [smul_sub, sub_smul, one_smul]
          simp only [sub_eq_add_neg, add_comm, add_left_comm, add_assoc, neg_add_rev]
        rw [this]
      _ = ‖u - v‖ ^ 2 - 2 * θ * inner (u - v) (w - v) + θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 := by
        rw [@norm_sub_sq ℝ, inner_smul_right, norm_smul]
        simp only [sq]
        show
          ‖u - v‖ * ‖u - v‖ - 2 * (θ * inner (u - v) (w - v)) +
            absR θ * ‖w - v‖ * (absR θ * ‖w - v‖) =
          ‖u - v‖ * ‖u - v‖ - 2 * θ * inner (u - v) (w - v) + θ * θ * (‖w - v‖ * ‖w - v‖)
        rw [abs_of_pos hθ₁]; ring
  have eq₁ :
    ‖u - v‖ ^ 2 - 2 * θ * inner (u - v) (w - v) + θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 =
      ‖u - v‖ ^ 2 + (θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * inner (u - v) (w - v)) := by
    abel
  rw [eq₁, le_add_iff_nonneg_right] at this
  have eq₂ :
    θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * inner (u - v) (w - v) =
      θ * (θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * inner (u - v) (w - v)) := by ring
  rw [eq₂] at this
  exact le_of_sub_nonneg (nonneg_of_mul_nonneg_right this hθ₁)

Result:
case mp
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
this : ∀ (θ : ℝ), 0 < θ → θ ≤ 1 → 2 * p ≤ θ * q
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Proof state:
case mp
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
⊢ ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖ → ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Tactic:
intro eq w hw

Result:
case mp
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
this : 0 ≤ θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
eq₁ :
  ‖u - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ + θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 =
    ‖u - v‖ ^ 2 + (θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ)
⊢ θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ = θ * (θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ)

Tactic:
ring

Result:
no goals

Proof state:
case neg
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝¹ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
this✝ : ∀ (θ : ℝ), 0 < θ → θ ≤ 1 → 2 * p ≤ θ * q
hq : ¬q = 0
q_pos : 0 < q
hp : 0 < ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
θ : ℝ := 1 ⊓ p / q
eq₁ : θ * q ≤ p
this : 2 * p ≤ p
⊢ False

Tactic:
linarith

Result:
no goals