-- Mathlib/Analysis/InnerProductSpace/Projection.lean
theorem maximal_orthonormal_iff_orthogonalComplement_eq_bot (hv : Orthonormal 𝕜 ((↑) : v → E)) :
    (∀ u ⊇ v, Orthonormal 𝕜 ((↑) : u → E) → u = v) ↔ (span 𝕜 v)ᗮ = ⊥

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
h_end : ∀ a ∈ v, ⟪a, e⟫_𝕜 = 0
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a ∈ v
b : E
hb' : b ∈ insert e v
hab' : ⟨a, ha'⟩ ≠ ⟨b, hb'⟩
hb : b ∈ v
⊢ ⟨a, ha⟩ ≠ ⟨b, hb⟩

Tactic:
intro hab''

Result:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
h_end : ∀ a ∈ v, ⟪a, e⟫_𝕜 = 0
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a ∈ v
b : E
hb' : b ∈ insert e v
hab' : ⟨a, ha'⟩ ≠ ⟨b, hb'⟩
hb : b ∈ v
hab'' : ⟨a, ha⟩ = ⟨b, hb⟩
⊢ False

Proof state:
case mp.intro.intro
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
⊢ ∃ u ⊇ v, Orthonormal 𝕜 Subtype.val ∧ u ≠ v

Tactic:
have he : ‖e‖ = 1 := by simp [e, norm_smul_inv_norm hx]

Result:
case mp.intro.intro
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
⊢ ∃ u ⊇ v, Orthonormal 𝕜 Subtype.val ∧ u ≠ v

Proof state:
case mp.intro.intro.refine_1.mk
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
a : E
ha' : a ∈ insert e v
⊢ ‖↑⟨a, ha'⟩‖ = 1

Tactic:
rcases eq_or_mem_of_mem_insert ha' with ha | ha

Result:
case mp.intro.intro.refine_1.mk.inl
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a = e
⊢ ‖↑⟨a, ha'⟩‖ = 1

case mp.intro.intro.refine_1.mk.inr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a ∈ v
⊢ ‖↑⟨a, ha'⟩‖ = 1

Proof state:
case mp.intro.intro
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
⊢ ∃ u ⊇ v, Orthonormal 𝕜 Subtype.val ∧ u ≠ v

Tactic:
have he'' : e ∉ v := by
  intro hev
  have : e = 0 := by
    have : e ∈ span 𝕜 v ⊓ (span 𝕜 v)ᗮ := ⟨subset_span hev, he'⟩
    simpa [(span 𝕜 v).inf_orthogonal_eq_bot] using this
  have : e ≠ 0 := hv.ne_zero ⟨e, hev⟩
  contradiction

Result:
case mp.intro.intro
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
⊢ ∃ u ⊇ v, Orthonormal 𝕜 Subtype.val ∧ u ≠ v

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
h_end : ∀ a ∈ v, ⟪a, e⟫_𝕜 = 0
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a = e
b : E
hb' : b ∈ insert e v
hab' : ⟨a, ha'⟩ ≠ ⟨b, hb'⟩
⊢ b ∈ v

Tactic:
refine mem_of_mem_insert_of_ne hb' ?_

Result:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
h_end : ∀ a ∈ v, ⟪a, e⟫_𝕜 = 0
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a = e
b : E
hb' : b ∈ insert e v
hab' : ⟨a, ha'⟩ ≠ ⟨b, hb'⟩
⊢ b ≠ e

Proof state:
case mp.intro.intro.refine_2.mk.inr.mk.inr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
h_end : ∀ a ∈ v, ⟪a, e⟫_𝕜 = 0
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a ∈ v
b : E
hb' : b ∈ insert e v
hab' : ⟨a, ha'⟩ ≠ ⟨b, hb'⟩
hb : b ∈ v
⊢ ⟪↑⟨a, ha'⟩, ↑⟨b, hb'⟩⟫_𝕜 = 0

Tactic:
have : (⟨a, ha⟩ : v) ≠ ⟨b, hb⟩ := by
  intro hab''
  apply hab'
  simpa using hab''

Result:
case mp.intro.intro.refine_2.mk.inr.mk.inr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
h_end : ∀ a ∈ v, ⟪a, e⟫_𝕜 = 0
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a ∈ v
b : E
hb' : b ∈ insert e v
hab' : ⟨a, ha'⟩ ≠ ⟨b, hb'⟩
hb : b ∈ v
this : ⟨a, ha⟩ ≠ ⟨b, hb⟩
⊢ ⟪↑⟨a, ha'⟩, ↑⟨b, hb'⟩⟫_𝕜 = 0

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
h : ∀ x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ, x = 0
u : Set E
huv : v ⊆ u
hu : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hxu : x ∈ u
hxv : x ∉ v
y : E
hy : y ∈ span 𝕜 v
hxv' : ⟨x, hxu⟩ ∉ Subtype.val ⁻¹' v
⊢ ∃ l ∈ supported 𝕜 𝕜 (Subtype.val ⁻¹' v), (linearCombination 𝕜 Subtype.val) l = y

Tactic:
rw [← Finsupp.mem_span_image_iff_linearCombination]

Result:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
h : ∀ x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ, x = 0
u : Set E
huv : v ⊆ u
hu : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hxu : x ∈ u
hxv : x ∉ v
y : E
hy : y ∈ span 𝕜 v
hxv' : ⟨x, hxu⟩ ∉ Subtype.val ⁻¹' v
⊢ y ∈ span 𝕜 (Subtype.val '' (Subtype.val ⁻¹' v))

Proof state:
case mpr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
h : ∀ x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ, x = 0
u : Set E
huv : v ⊆ u
hu : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
⊢ u ⊆ v ∧ v ⊆ u

Tactic:
refine ⟨?_, huv⟩

Result:
case mpr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
h : ∀ x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ, x = 0
u : Set E
huv : v ⊆ u
hu : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
⊢ u ⊆ v

Proof state:
case mp.intro.intro.refine_1.mk.inr
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝² : RCLike 𝕜
inst✝¹ : NormedAddCommGroup E
inst✝ : InnerProductSpace 𝕜 E
v : Set E
hv : Orthonormal 𝕜 Subtype.val
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
he : ‖e‖ = 1
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
he'' : e ∉ v
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a ∈ v
⊢ ‖↑⟨a, ha'⟩‖ = 1

Tactic:
exact hv.1 ⟨a, ha⟩

Result:
no goals