-- 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:
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

Tactic:
have he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ := smul_mem' _ _ 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
he' : e ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
⊢ ∃ u ⊇ v, Orthonormal 𝕜 Subtype.val ∧ u ≠ 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
x : E
hxu : x ∈ u
hxv : x ∉ v
y : E
hy : y ∈ span 𝕜 v
⊢ ⟪y, x⟫_𝕜 = 0

Tactic:
have hxv' : (⟨x, hxu⟩ : u) ∉ ((↑) ⁻¹' v : Set u) := by simp [huv, hxv]

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
x : E
hxu : x ∈ u
hxv : x ∉ v
y : E
hy : y ∈ span 𝕜 v
hxv' : ⟨x, hxu⟩ ∉ Subtype.val ⁻¹' v
⊢ ⟪y, x⟫_𝕜 = 0

Proof state:
case mp.intro.intro.refine_2.mk.inr.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
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 = e
⊢ ⟪↑⟨a, ha'⟩, ↑⟨b, hb'⟩⟫_𝕜 = 0

Tactic:
simpa [hb] using h_end a ha

Result:
no goals

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
hev : e ∈ v
⊢ False

Tactic:
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

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
hev : e ∈ v
this : e = 0
⊢ False

Proof state:
case mp.intro.intro.refine_2.mk.inr.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
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'⟩
⊢ ⟪↑⟨a, ha'⟩, ↑⟨b, hb'⟩⟫_𝕜 = 0

Tactic:
rcases eq_or_mem_of_mem_insert hb' with hb | hb

Result:
case mp.intro.intro.refine_2.mk.inr.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
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 = e
⊢ ⟪↑⟨a, ha'⟩, ↑⟨b, hb'⟩⟫_𝕜 = 0

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

Proof state:
case mp.intro.intro.refine_2.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
⊢ ∀ ⦃j : { x // x ∈ insert e v }⦄, ⟨a, ha'⟩ ≠ j → (fun i j => ⟪↑i, ↑j⟫_𝕜 = 0) ⟨a, ha'⟩ j

Tactic:
rintro ⟨b, hb'⟩ hab'

Result:
case mp.intro.intro.refine_2.mk.inr.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
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'⟩
⊢ ⟪↑⟨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
x : E
hx' : x ∈ (span 𝕜 v)ᗮ
hx : x ≠ 0
e : E := (↑‖x‖)⁻¹ • x
⊢ ‖e‖ = 1

Tactic:
simp [e, norm_smul_inv_norm hx]

Result:
no goals

Proof state:
case mp.intro.intro.refine_2.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
h_end : ∀ a ∈ v, ⟪a, e⟫_𝕜 = 0
a : E
ha' : a ∈ insert e v
⊢ ∀ ⦃j : { x // x ∈ insert e v }⦄, ⟨a, ha'⟩ ≠ j → (fun i j => ⟪↑i, ↑j⟫_𝕜 = 0) ⟨a, ha'⟩ j

Tactic:
rcases eq_or_mem_of_mem_insert ha' with ha | ha

Result:
case mp.intro.intro.refine_2.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
h_end : ∀ a ∈ v, ⟪a, e⟫_𝕜 = 0
a : E
ha' : a ∈ insert e v
ha : a = e
⊢ ∀ ⦃j : { x // x ∈ insert e v }⦄, ⟨a, ha'⟩ ≠ j → (fun i j => ⟪↑i, ↑j⟫_𝕜 = 0) ⟨a, ha'⟩ j

case mp.intro.intro.refine_2.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
⊢ ∀ ⦃j : { x // x ∈ insert e v }⦄, ⟨a, ha'⟩ ≠ j → (fun i j => ⟪↑i, ↑j⟫_𝕜 = 0) ⟨a, ha'⟩ j

Proof state:
case mp.intro.intro.refine_2
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
⊢ Pairwise fun i j => ⟪↑i, ↑j⟫_𝕜 = 0

Tactic:
have h_end : ∀ a ∈ v, ⟪a, e⟫ = 0 := by
  intro a ha
  exact he' a (Submodule.subset_span ha)

Result:
case mp.intro.intro.refine_2
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
⊢ Pairwise fun i j => ⟪↑i, ↑j⟫_𝕜 = 0