-- Mathlib/Analysis/NormedSpace/RieszLemma.lean
theorem riesz_lemma {F : Subspace 𝕜 E} (hFc : IsClosed (F : Set E)) (hF : ∃ x : E, x ∉ F) {r : ℝ}
    (hr : r < 1) : ∃ x₀ : E, x₀ ∉ F ∧ ∀ y ∈ F, r * ‖x₀‖ ≤ ‖x₀ - y‖

Proof state:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
⊢ r' < 1

Tactic:
simp only [r', max_lt_iff, hr, true_and]

Result:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
⊢ 2⁻¹ < 1

Proof state:
case intro
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
⊢ ∃ x₀ ∉ F, ∀ y ∈ F, r * ‖x₀‖ ≤ ‖x₀ - y‖

Tactic:
have hlt : 0 < r' := lt_of_lt_of_le (by norm_num) (le_max_right r 2⁻¹)

Result:
case intro
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
⊢ ∃ x₀ ∉ F, ∀ y ∈ F, r * ‖x₀‖ ≤ ‖x₀ - y‖

Proof state:
case h
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
x_ne_y₀ : x - y₀ ∉ F
y : E
hy : y ∈ F
hy₀y : y₀ + y ∈ F
⊢ r ≤ r'

Tactic:
apply le_max_left

Result:
no goals

Proof state:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
⊢ 2⁻¹ < 1

Tactic:
norm_num

Result:
no goals

Proof state:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
x_ne_y₀ : x - y₀ ∉ F
y : E
hy : y ∈ F
hy₀y : y₀ + y ∈ F
⊢ r' * ‖x - y₀‖ < d

Tactic:
rw [← dist_eq_norm]

Result:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
x_ne_y₀ : x - y₀ ∉ F
y : E
hy : y ∈ F
hy₀y : y₀ + y ∈ F
⊢ r' * dist x y₀ < d

Proof state:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
⊢ 0 < 2⁻¹

Tactic:
norm_num

Result:
no goals

Proof state:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
h : x - y₀ ∈ F
this : x ∈ F
⊢ False

Tactic:
exact hx this

Result:
no goals

Proof state:
case intro
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
⊢ ∃ x₀ ∉ F, ∀ y ∈ F, r * ‖x₀‖ ≤ ‖x₀ - y‖

Tactic:
have hFn : (F : Set E).Nonempty := ⟨_, F.zero_mem⟩

Result:
case intro
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
⊢ ∃ x₀ ∉ F, ∀ y ∈ F, r * ‖x₀‖ ≤ ‖x₀ - y‖

Proof state:
case intro.intro.intro
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
x_ne_y₀ : x - y₀ ∉ F
y : E
hy : y ∈ F
⊢ r * ‖x - y₀‖ < ‖x - y₀ - y‖

Tactic:
have hy₀y : y₀ + y ∈ F := F.add_mem hy₀F hy

Result:
case intro.intro.intro
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
x_ne_y₀ : x - y₀ ∉ F
y : E
hy : y ∈ F
hy₀y : y₀ + y ∈ F
⊢ r * ‖x - y₀‖ < ‖x - y₀ - y‖

Proof state:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
h : x - y₀ ∈ F
⊢ False

Tactic:
have : x - y₀ + y₀ ∈ F := F.add_mem h hy₀F

Result:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
h : x - y₀ ∈ F
this : x - y₀ + y₀ ∈ F
⊢ False

Proof state:
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
x_ne_y₀ : x - y₀ ∉ F
y : E
hy : y ∈ F
hy₀y : y₀ + y ∈ F
⊢ r * ‖x - y₀‖ ≤ r' * ‖x - y₀‖

Tactic:
gcongr

Result:
case h
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
x_ne_y₀ : x - y₀ ∉ F
y : E
hy : y ∈ F
hy₀y : y₀ + y ∈ F
⊢ r ≤ r'

Proof state:
case intro.intro.intro
𝕜 : Type u_1
inst✝² : NormedField 𝕜
E : Type u_2
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : NormedSpace 𝕜 E
F : Subspace 𝕜 E
hFc : IsClosed ↑F
r : ℝ
hr : r < 1
x : E
hx : x ∉ F
d : ℝ := infDist x ↑F
hFn : (↑F).Nonempty
hdp : 0 < d
r' : ℝ := r ⊔ 2⁻¹
hr' : r' < 1
hlt : 0 < r'
hdlt : d < d / r'
y₀ : E
hy₀F : y₀ ∈ F
hxy₀ : dist x y₀ < d / r'
x_ne_y₀ : x - y₀ ∉ F
y : E
hy : y ∈ F
hy₀y : y₀ + y ∈ F
⊢ r * ‖x - y₀‖ < ‖x - y₀ - y‖

Tactic:
calc
  r * ‖x - y₀‖ ≤ r' * ‖x - y₀‖ := by gcongr; apply le_max_left
  _ < d := by
    rw [← dist_eq_norm]
    exact (lt_div_iff₀' hlt).1 hxy₀
  _ ≤ dist x (y₀ + y) := Metric.infDist_le_dist_of_mem hy₀y
  _ = ‖x - y₀ - y‖ := by rw [sub_sub, dist_eq_norm]

Result:
no goals