-- Mathlib/Topology/TietzeExtension.lean
theorem exists_extension_forall_exists_le_ge_of_isClosedEmbedding [Nonempty X] (f : X →ᵇ ℝ)
    {e : X → Y} (he : IsClosedEmbedding e) :
    ∃ g : Y →ᵇ ℝ, (∀ y, ∃ x₁ x₂, g y ∈ Icc (f x₁) (f x₂)) ∧ g ∘ e = f

Proof state:
case intro.intro
X : Type u_1
Y : Type u_2
inst✝³ : TopologicalSpace X
inst✝² : TopologicalSpace Y
inst✝¹ : NormalSpace Y
inst✝ : Nonempty X
f : X →ᵇ ℝ
e : X → Y
he : IsClosedEmbedding e
inhabited_h : Inhabited X
a : ℝ
ha : IsGLB (range ⇑f) a
b : ℝ
hb : IsLUB (range ⇑f) b
hmem : ∀ (x : X), f x ∈ Icc a b
hle : a ≤ b
hlt : a < b
c : ℝ := (a + b) / 2
hac : a < c
hcb : c < b
hsub : c - a = b - c
g : Y →ᵇ ℝ
hg_mem : ∀ (y : Y), g y ∈ Icc a b
hgf : ⇑g ∘ e = ⇑f
⊢ ∃ g, (∀ (y : Y), ∃ x, g y ∈ Icc (f x) b) ∧ ⇑g ∘ e = ⇑f

Tactic:
rcases em (∃ x, f x = a) with (⟨x, rfl⟩ | ha')

Result:
case intro.intro.inl.intro
X : Type u_1
Y : Type u_2
inst✝³ : TopologicalSpace X
inst✝² : TopologicalSpace Y
inst✝¹ : NormalSpace Y
inst✝ : Nonempty X
f : X →ᵇ ℝ
e : X → Y
he : IsClosedEmbedding e
inhabited_h : Inhabited X
b : ℝ
hb : IsLUB (range ⇑f) b
g : Y →ᵇ ℝ
hgf : ⇑g ∘ e = ⇑f
x : X
ha : IsGLB (range ⇑f) (f x)
hmem : ∀ (x_1 : X), f x_1 ∈ Icc (f x) b
hle : f x ≤ b
hlt : f x < b
c : ℝ := (f x + b) / 2
hac : f x < c
hcb : c < b
hsub : c - f x = b - c
hg_mem : ∀ (y : Y), g y ∈ Icc (f x) b
⊢ ∃ g, (∀ (y : Y), ∃ x, g y ∈ Icc (f x) b) ∧ ⇑g ∘ e = ⇑f

case intro.intro.inr
X : Type u_1
Y : Type u_2
inst✝³ : TopologicalSpace X
inst✝² : TopologicalSpace Y
inst✝¹ : NormalSpace Y
inst✝ : Nonempty X
f : X →ᵇ ℝ
e : X → Y
he : IsClosedEmbedding e
inhabited_h : Inhabited X
a : ℝ
ha : IsGLB (range ⇑f) a
b : ℝ
hb : IsLUB (range ⇑f) b
hmem : ∀ (x : X), f x ∈ Icc a b
hle : a ≤ b
hlt : a < b
c : ℝ := (a + b) / 2
hac : a < c
hcb : c < b
hsub : c - a = b - c
g : Y →ᵇ ℝ
hg_mem : ∀ (y : Y), g y ∈ Icc a b
hgf : ⇑g ∘ e = ⇑f
ha' : ¬∃ x, f x = a
⊢ ∃ g, (∀ (y : Y), ∃ x, g y ∈ Icc (f x) b) ∧ ⇑g ∘ e = ⇑f

Proof state:
case intro.intro.inr.intro.intro.inr.intro.intro.intro
X : Type u_1
Y : Type u_2
inst✝³ : TopologicalSpace X
inst✝² : TopologicalSpace Y
inst✝¹ : NormalSpace Y
inst✝ : Nonempty X
f : X →ᵇ ℝ
e : X → Y
he : IsClosedEmbedding e
inhabited_h : Inhabited X
a : ℝ
ha : IsGLB (range ⇑f) a
b : ℝ
hb : IsLUB (range ⇑f) b
hmem : ∀ (x : X), f x ∈ Icc a b
hle : a ≤ b
hlt : a < b
c : ℝ := (a + b) / 2
hac : a < c
hcb : c < b
hsub : c - a = b - c
g : Y →ᵇ ℝ
xl : Y → X
hxl : ∀ (y : Y), f (xl y) ≤ g y
hgb : ∀ (y : Y), g y ≤ b
hb' : ¬∃ x, f x = b
hd : Disjoint (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Iic c) (⇑g ⁻¹' {b})
dg : Y →ᵇ ℝ
dg0 : EqOn (⇑dg) (Function.const Y 0) (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Iic c)
dgb : EqOn (⇑dg) (Function.const Y (b - c)) (⇑g ⁻¹' {b})
dgmem : ∀ (x : Y), dg x ∈ Icc 0 (b - c)
hgf : ∀ (x : X), (g - dg) (e x) = f x
y : Y
hyb : (g - dg) y < b
⊢ ∃ x₁ x₂, (g - dg) y ∈ Icc (f x₁) (f x₂)

Tactic:
rcases hb.exists_between hyb with ⟨_, ⟨xu, rfl⟩, hyxu, _⟩

Result:
case intro.intro.inr.intro.intro.inr.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro
X : Type u_1
Y : Type u_2
inst✝³ : TopologicalSpace X
inst✝² : TopologicalSpace Y
inst✝¹ : NormalSpace Y
inst✝ : Nonempty X
f : X →ᵇ ℝ
e : X → Y
he : IsClosedEmbedding e
inhabited_h : Inhabited X
a : ℝ
ha : IsGLB (range ⇑f) a
b : ℝ
hb : IsLUB (range ⇑f) b
hmem : ∀ (x : X), f x ∈ Icc a b
hle : a ≤ b
hlt : a < b
c : ℝ := (a + b) / 2
hac : a < c
hcb : c < b
hsub : c - a = b - c
g : Y →ᵇ ℝ
xl : Y → X
hxl : ∀ (y : Y), f (xl y) ≤ g y
hgb : ∀ (y : Y), g y ≤ b
hb' : ¬∃ x, f x = b
hd : Disjoint (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Iic c) (⇑g ⁻¹' {b})
dg : Y →ᵇ ℝ
dg0 : EqOn (⇑dg) (Function.const Y 0) (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Iic c)
dgb : EqOn (⇑dg) (Function.const Y (b - c)) (⇑g ⁻¹' {b})
dgmem : ∀ (x : Y), dg x ∈ Icc 0 (b - c)
hgf : ∀ (x : X), (g - dg) (e x) = f x
y : Y
hyb : (g - dg) y < b
xu : X
hyxu : (g - dg) y < f xu
right✝ : f xu ≤ b
⊢ ∃ x₁ x₂, (g - dg) y ∈ Icc (f x₁) (f x₂)

Proof state:
case intro.intro.inr.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.inr
X : Type u_1
Y : Type u_2
inst✝³ : TopologicalSpace X
inst✝² : TopologicalSpace Y
inst✝¹ : NormalSpace Y
inst✝ : Nonempty X
f : X →ᵇ ℝ
e : X → Y
he : IsClosedEmbedding e
inhabited_h : Inhabited X
a : ℝ
ha : IsGLB (range ⇑f) a
b : ℝ
hb : IsLUB (range ⇑f) b
hmem : ∀ (x : X), f x ∈ Icc a b
hle : a ≤ b
hlt : a < b
c : ℝ := (a + b) / 2
hac : a < c
hcb : c < b
hsub : c - a = b - c
g : Y →ᵇ ℝ
hg_mem : ∀ (y : Y), g y ∈ Icc a b
ha' : ¬∃ x, f x = a
hd : Disjoint (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Ici c) (⇑g ⁻¹' {a})
dg : Y →ᵇ ℝ
dg0 : EqOn (⇑dg) (Function.const Y 0) (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Ici c)
dga : EqOn (⇑dg) (Function.const Y (c - a)) (⇑g ⁻¹' {a})
dgmem : ∀ (x : Y), dg x ∈ Icc 0 (c - a)
hgf : ∀ (x : X), (g + dg) (e x) = f x
y : Y
hay : a < (g + dg) y
x : X
left✝ : a ≤ f x
hxy : f x < (g + dg) y
hc : g y ≤ c
⊢ (g + dg) y ≤ b

Tactic:
calc
  g y + dg y ≤ c + (c - a) := add_le_add hc (dgmem _).2
  _ = b := by rw [hsub, add_sub_cancel]

Result:
no goals

Proof state:
case intro.intro.inr.intro.intro.inr.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.inl.inr
X : Type u_1
Y : Type u_2
inst✝³ : TopologicalSpace X
inst✝² : TopologicalSpace Y
inst✝¹ : NormalSpace Y
inst✝ : Nonempty X
f : X →ᵇ ℝ
e : X → Y
he : IsClosedEmbedding e
inhabited_h : Inhabited X
a : ℝ
ha : IsGLB (range ⇑f) a
b : ℝ
hb : IsLUB (range ⇑f) b
hmem : ∀ (x : X), f x ∈ Icc a b
hle : a ≤ b
hlt : a < b
c : ℝ := (a + b) / 2
hac : a < c
hcb : c < b
hsub : c - a = b - c
g : Y →ᵇ ℝ
xl : Y → X
hxl : ∀ (y : Y), f (xl y) ≤ g y
hgb : ∀ (y : Y), g y ≤ b
hb' : ¬∃ x, f x = b
hd : Disjoint (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Iic c) (⇑g ⁻¹' {b})
dg : Y →ᵇ ℝ
dg0 : EqOn (⇑dg) (Function.const Y 0) (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Iic c)
dgb : EqOn (⇑dg) (Function.const Y (b - c)) (⇑g ⁻¹' {b})
dgmem : ∀ (x : Y), dg x ∈ Icc 0 (b - c)
hgf : ∀ (x : X), (g - dg) (e x) = f x
y : Y
hyb : (g - dg) y < b
xu : X
hyxu : (g - dg) y < f xu
right✝ : f xu ≤ b
hc : c < g y
h✝ : a ∉ range ⇑f
⊢ ∃ x₁ x₂, (g - dg) y ∈ Icc (f x₁) (f x₂)

Tactic:
have hay : a < (g - dg) y := by
  calc
    a = c - (b - c) := by rw [← hsub, sub_sub_cancel]
    _ < g y - (b - c) := sub_lt_sub_right hc _
    _ ≤ g y - dg y := sub_le_sub_left (dgmem _).2 _

Result:
case intro.intro.inr.intro.intro.inr.intro.intro.intro.intro.intro.intro.intro.inl.inr
X : Type u_1
Y : Type u_2
inst✝³ : TopologicalSpace X
inst✝² : TopologicalSpace Y
inst✝¹ : NormalSpace Y
inst✝ : Nonempty X
f : X →ᵇ ℝ
e : X → Y
he : IsClosedEmbedding e
inhabited_h : Inhabited X
a : ℝ
ha : IsGLB (range ⇑f) a
b : ℝ
hb : IsLUB (range ⇑f) b
hmem : ∀ (x : X), f x ∈ Icc a b
hle : a ≤ b
hlt : a < b
c : ℝ := (a + b) / 2
hac : a < c
hcb : c < b
hsub : c - a = b - c
g : Y →ᵇ ℝ
xl : Y → X
hxl : ∀ (y : Y), f (xl y) ≤ g y
hgb : ∀ (y : Y), g y ≤ b
hb' : ¬∃ x, f x = b
hd : Disjoint (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Iic c) (⇑g ⁻¹' {b})
dg : Y →ᵇ ℝ
dg0 : EqOn (⇑dg) (Function.const Y 0) (range e ∪ ⇑g ⁻¹' Iic c)
dgb : EqOn (⇑dg) (Function.const Y (b - c)) (⇑g ⁻¹' {b})
dgmem : ∀ (x : Y), dg x ∈ Icc 0 (b - c)
hgf : ∀ (x : X), (g - dg) (e x) = f x
y : Y
hyb : (g - dg) y < b
xu : X
hyxu : (g - dg) y < f xu
right✝ : f xu ≤ b
hc : c < g y
h✝ : a ∉ range ⇑f
hay : a < (g - dg) y
⊢ ∃ x₁ x₂, (g - dg) y ∈ Icc (f x₁) (f x₂)