-- 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
q_pos : 0 < q
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Tactic:
by_contra hp

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
hp : ¬⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
⊢ False

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 : ‖u - v‖ ^ 2 ≤ ‖u - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ + θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2
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)
⊢ 2 * p ≤ θ * q

Tactic:
rw [eq₁, le_add_iff_nonneg_right] at this

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
this : 0 ≤ θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪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)
⊢ 2 * p ≤ θ * q

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
δ : ℝ := ⨅ w, ‖u - ↑w‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Tactic:
have δ_le (w : K) : δ ≤ ‖u - w‖ := ciInf_le ⟨0, fun _ ⟨_, h⟩ => h ▸ norm_nonneg _⟩ _

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‖
p : ℝ := ⟪u - v, w - v⟫_ℝ
q : ℝ := ‖w - v‖ ^ 2
δ_le : ∀ (w : ↑K), δ ≤ ‖u - ↑w‖
⊢ ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0

Proof state:
case pos
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:
rw [hq] at this

Result:
case pos
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
⊢ ⟪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
⊢ ‖u - v‖ * ‖u - v‖ - 2 * (θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ) + |θ| * ‖w - v‖ * (|θ| * ‖w - v‖) =
    ‖u - v‖ * ‖u - v‖ - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ + θ * θ * (‖w - v‖ * ‖w - v‖)

Tactic:
rw [abs_of_pos hθ₁]

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 - v‖ * ‖u - v‖ - 2 * (θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ) + θ * ‖w - v‖ * (θ * ‖w - v‖) =
    ‖u - v‖ * ‖u - v‖ - 2 * θ * ⟪u - v, w - v⟫_ℝ + θ * θ * (‖w - v‖ * ‖w - v‖)

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⟩
h : ∀ w ∈ K, ⟪u - v, w - v⟫_ℝ ≤ 0
w : ↑K
this✝ : ⟪u - v, ↑w - v⟫_ℝ ≤ 0
this : u - v - (↑w - v) = u - ↑w
⊢ ‖u - v - (↑w - v)‖ ^ 2 = ‖u - ↑w‖ * ‖u - ↑w‖

Tactic:
rw [this, sq]

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
this : 0 ≤ θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪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)
⊢ 2 * p ≤ θ * q

Tactic:
have eq₂ :
  θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * inner (u - v) (w - v) =
    θ * (θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * inner (u - v) (w - v)) := by ring

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
this : 0 ≤ θ * θ * ‖w - v‖ ^ 2 - 2 * θ * ⟪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