-- Mathlib/NumberTheory/DiophantineApproximation/Basic.lean
theorem exists_rat_eq_convergent' {v : ℕ} (h : ContfracLegendre.Ass ξ u v) :
    ∃ n, (u / v : ℚ) = ξ.convergent n

Proof state:
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ξ < ↑u
h₁ : ↑u + -(1 / 2) < ξ
hξ₁ : ⌊ξ⌋ = u - 1
Hξ : ξ ≠ ↑⌊ξ⌋
⊢ ⌊(fract ξ)⁻¹⌋ = 1

Tactic:
rw [floor_eq_iff, cast_one, le_inv_comm₀ zero_lt_one (fract_pos.mpr Hξ), inv_one,
  one_add_one_eq_two, inv_lt_comm₀ (fract_pos.mpr Hξ) zero_lt_two]

Result:
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ξ < ↑u
h₁ : ↑u + -(1 / 2) < ξ
hξ₁ : ⌊ξ⌋ = u - 1
Hξ : ξ ≠ ↑⌊ξ⌋
⊢ fract ξ ≤ 1 ∧ 2⁻¹ < fract ξ

Proof state:
case h.inr.inl.intro.intro.inl
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₁ : ↑1 = 1 → -(1 / 2) < ξ - ↑u
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ↑u ≤ ξ
⊢ ∃ n, ↑u = ξ.convergent n

Tactic:
use 0

Result:
case h
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₁ : ↑1 = 1 → -(1 / 2) < ξ - ↑u
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ↑u ≤ ξ
⊢ ↑u = ξ.convergent 0

Proof state:
case h.inr.inr.intro
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
ht : 1 < v
huv₀ : 0 < u - ⌊ξ⌋ * ↑v
huv₁ : u - ⌊ξ⌋ * ↑v < ↑v
Hv : ↑v ≠ 0
huv₁' : (u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat < v
inv : ContfracLegendre.Ass (fract ξ)⁻¹ ↑v ↑(u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat
⊢ ∃ n, ↑u / ↑v = ξ.convergent n

Tactic:
obtain ⟨n, hn⟩ := ih (u - ⌊ξ⌋ * v).toNat huv₁' inv

Result:
case h.inr.inr.intro.intro
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
ht : 1 < v
huv₀ : 0 < u - ⌊ξ⌋ * ↑v
huv₁ : u - ⌊ξ⌋ * ↑v < ↑v
Hv : ↑v ≠ 0
huv₁' : (u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat < v
inv : ContfracLegendre.Ass (fract ξ)⁻¹ ↑v ↑(u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat
n : ℕ
hn : ↑↑v / ↑(u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat = (fract ξ)⁻¹.convergent n
⊢ ∃ n, ↑u / ↑v = ξ.convergent n

Proof state:
ξ : ℝ
u : ℤ
v : ℕ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
⊢ ∃ n, ↑u / ↑v = ξ.convergent n

Tactic:
induction v using Nat.strong_induction_on generalizing ξ u with | h v ih => ?_

Result:
case h
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
⊢ ∃ n, ↑u / ↑v = ξ.convergent n

Proof state:
case h.inr.inr.intro
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
ht : 1 < v
huv₀ : 0 < u - ⌊ξ⌋ * ↑v
huv₁ : u - ⌊ξ⌋ * ↑v < ↑v
⊢ ∃ n, ↑u / ↑v = ξ.convergent n

Tactic:
have Hv : (v : ℚ) ≠ 0 := (Nat.cast_pos.mpr (zero_lt_one.trans ht)).ne'

Result:
case h.inr.inr.intro
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
ht : 1 < v
huv₀ : 0 < u - ⌊ξ⌋ * ↑v
huv₁ : u - ⌊ξ⌋ * ↑v < ↑v
Hv : ↑v ≠ 0
⊢ ∃ n, ↑u / ↑v = ξ.convergent n

Proof state:
case h
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₁ : ↑1 = 1 → -(1 / 2) < ξ - ↑u
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ↑u ≤ ξ
⊢ ↑u = ξ.convergent 0

Tactic:
rw [convergent_zero, Rat.coe_int_inj, eq_comm, floor_eq_iff]

Result:
case h
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₁ : ↑1 = 1 → -(1 / 2) < ξ - ↑u
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ↑u ≤ ξ
⊢ ↑u ≤ ξ ∧ ξ < ↑u + 1

Proof state:
case h.inr.inr.intro
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
ht : 1 < v
huv₀ : 0 < u - ⌊ξ⌋ * ↑v
huv₁ : u - ⌊ξ⌋ * ↑v < ↑v
Hv : ↑v ≠ 0
huv₁' : (u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat < v
⊢ ∃ n, ↑u / ↑v = ξ.convergent n

Tactic:
have inv : ContfracLegendre.Ass (fract ξ)⁻¹ v (u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat :=
  (toNat_of_nonneg huv₀.le).symm ▸ invariant (Nat.cast_le.mpr ht) h

Result:
case h.inr.inr.intro
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
ht : 1 < v
huv₀ : 0 < u - ⌊ξ⌋ * ↑v
huv₁ : u - ⌊ξ⌋ * ↑v < ↑v
Hv : ↑v ≠ 0
huv₁' : (u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat < v
inv : ContfracLegendre.Ass (fract ξ)⁻¹ ↑v ↑(u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat
⊢ ∃ n, ↑u / ↑v = ξ.convergent n

Proof state:
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
ht : 1 < v
huv₀ : 0 < u - ⌊ξ⌋ * ↑v
huv₁ : u - ⌊ξ⌋ * ↑v < ↑v
Hv : ↑v ≠ 0
⊢ (u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat < v

Tactic:
zify

Result:
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
ht : 1 < v
huv₀ : 0 < u - ⌊ξ⌋ * ↑v
huv₁ : u - ⌊ξ⌋ * ↑v < ↑v
Hv : ↑v ≠ 0
⊢ ↑(u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat < ↑v

Proof state:
case h.inl
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
ht : v < 1
h : |ξ| < 0
⊢ ∃ n, ↑u / ↑v = ξ.convergent n

Tactic:
exact False.elim (lt_irrefl _ <| (abs_nonneg ξ).trans_lt h)

Result:
no goals

Proof state:
case h.inr.inl.intro.intro.inr
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₁ : ↑1 = 1 → -(1 / 2) < ξ - ↑u
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ξ < ↑u
⊢ ∃ n, ↑u = ξ.convergent n

Tactic:
replace h₁ := lt_sub_iff_add_lt'.mp (h₁ rfl)

Result:
case h.inr.inl.intro.intro.inr
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ξ < ↑u
h₁ : ↑u + -(1 / 2) < ξ
⊢ ∃ n, ↑u = ξ.convergent n

Proof state:
case h.inr.inl.intro.intro.inr.inr
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ξ < ↑u
h₁ : ↑u + -(1 / 2) < ξ
hξ₁ : ⌊ξ⌋ = u - 1
Hξ : ξ ≠ ↑⌊ξ⌋
hξ₂ : ⌊(fract ξ)⁻¹⌋ = 1
⊢ ∃ n, ↑u = ξ.convergent n

Tactic:
use 1

Result:
case h
ξ : ℝ
u : ℤ
ih : ∀ m < 1, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
left✝ : IsCoprime u ↑1
h₂ : |ξ - ↑u / ↑↑1| < (↑↑1 * (2 * ↑↑1 - 1))⁻¹
ht : ξ < ↑u
h₁ : ↑u + -(1 / 2) < ξ
hξ₁ : ⌊ξ⌋ = u - 1
Hξ : ξ ≠ ↑⌊ξ⌋
hξ₂ : ⌊(fract ξ)⁻¹⌋ = 1
⊢ ↑u = ξ.convergent 1

Proof state:
v : ℕ
ih : ∀ m < v, ∀ {ξ : ℝ} {u : ℤ}, ContfracLegendre.Ass ξ u ↑m → ∃ n, ↑u / ↑m = ξ.convergent n
ξ : ℝ
u : ℤ
h : ContfracLegendre.Ass ξ u ↑v
ht : 1 < v
huv₀ : 0 < u - ⌊ξ⌋ * ↑v
huv₁ : u - ⌊ξ⌋ * ↑v < ↑v
Hv : ↑v ≠ 0
⊢ ↑(u - ⌊ξ⌋ * ↑v).toNat < ↑v

Tactic:
rwa [toNat_of_nonneg huv₀.le]

Result:
no goals