-- Mathlib/Analysis/InnerProductSpace/Projection.lean
theorem norm_eq_iInf_iff_real_inner_le_zero {K : Set F} (h : Convex ℝ K) {u : F} {v : F}
    (hv : v ∈ K) : (‖u - v‖ = ⨅ w : K, ‖u - w‖) ↔ ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Proof state:
case neg
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
this : ∀ (θ : ℝ), 0 < θ → θ ≤ 1 → 2 * p ≤ θ * q
hq : ¬q = 0
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Tactic:
have q_pos : 0 < q := lt_of_le_of_ne (sq_nonneg _) fun h ↦ hq h.symm

Result:
case neg
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
this : ∀ (θ : ℝ), 0 < θ → θ ≤ 1 → 2 * p ≤ θ * q
hq : ¬q = 0
q_pos : 0 < q
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h✝ : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
w : ↑K
this : ⟪u - v, ↑w - v⟫_ℝ ≤ 0
⊢ ‖u - v‖ * ‖u - v‖ ≤ ‖u - v‖ * ‖u - v‖ - 2 * ⟪u - v, ↑w - v⟫_ℝ

Tactic:
linarith

Result:
no goals

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
⊢ ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖ ↔ ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Tactic:
letI : Nonempty K := ⟨⟨v, hv⟩⟩

Result:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
⊢ ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖ ↔ ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Proof state:
case mp
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Tactic:
let δ := ⨅ w : K, ‖u - w‖

Result:
case mp
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
this : 0 ≤ θ * (θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ)
eq₁ :
  ‖u - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ + θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 =
    ‖u - v‖ ^ 2 + (θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ)
eq₂ : θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ = θ * (θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ)
⊢ 2 * p ≤ θ * q

Tactic:
exact le_of_sub_nonneg (nonneg_of_mul_nonneg_right this hθ₁)

Result:
no goals

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝¹ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
this✝ : ∀ (θ : ℝ), 0 < θ → θ ≤ 1 → 2 * p ≤ θ * 0
hq : q = 0
this : 2 * p ≤ 1 * 0
⊢ p ≤ 0

Tactic:
linarith

Result:
no goals

Proof state:
case mpr.a.H
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h✝ : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
⊢ BddBelow (Set.range fun w => ‖u - ↑w‖)

Tactic:
use 0

Result:
case h
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h✝ : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
⊢ 0 ∈ lowerBounds (Set.range fun w => ‖u - ↑w‖)

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
this : ∀ (θ : ℝ), 0 < θ → θ ≤ 1 → 2 * p ≤ θ * 0
hq : q = 0
⊢ 1 ≤ 1

Tactic:
norm_num

Result:
no goals

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
⊢ u - (θ • w + (1 - θ) • v) = u - v - θ • (w - v)

Tactic:
rw [smul_sub, sub_smul, one_smul]

Result:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
⊢ u - (θ • w + (v - θ • v)) = u - v - (θ • w - θ • v)

Proof state:
case mpr.a
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h✝ : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
⊢ ⨅ w, ‖u - ↑w‖ ≤ ‖u - v‖

Tactic:
show ⨅ w : K, ‖u - w‖ ≤ (fun w : K => ‖u - w‖) ⟨v, hv⟩

Result:
case mpr.a
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h✝ : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
⊢ ⨅ w, ‖u - ↑w‖ ≤ (fun w => ‖u - ↑w‖) ⟨v, hv⟩

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
⊢ ⨅ w, ‖u - ↑w‖ ≤ ‖u - (θ • w + (1 - θ) • v)‖

Tactic:
apply δ_le'

Result:
case hw
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
eq : ‖u - v‖ = ⨅ w, ‖u - ↑w‖
w : F
hw : w ∈ K
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
δ_le' : ∀ w ∈ K, δ ≤ ‖u - w‖
θ : ℝ
hθ₁ : 0 < θ
hθ₂ : θ ≤ 1
⊢ θ • w + (1 - θ) • v ∈ K

Proof state:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h✝ : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
w : ↑K
this : ⟪u - v, ↑w - v⟫_ℝ ≤ 0
⊢ ‖u - v‖ * ‖u - v‖ - 2 * ⟪u - v, ↑w - v⟫_ℝ ≤ ‖u - v‖ * ‖u - v‖ - 2 * ⟪u - v, ↑w - v⟫_ℝ + ‖↑w - v‖ ^ 2

Tactic:
refine le_add_of_nonneg_right ?_

Result:
F : Type u_3
inst✝¹ : NormedAddCommGroup F
inst✝ : InnerProductSpace ℝ F
K : Set F
h✝ : Convex ℝ K
u v : F
hv : v ∈ K
this✝ : Nonempty ↑K := Nonempty.intro ⟨v, hv⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
w : ↑K
this : ⟪u - v, ↑w - v⟫_ℝ ≤ 0
⊢ 0 ≤ ‖↑w - v‖ ^ 2