-- Mathlib/NumberTheory/DiophantineApproximation/Basic.lean
theorem exists_int_int_abs_mul_sub_le (ξ : ℝ) {n : ℕ} (n_pos : 0 < n) :
    ∃ j k : ℤ, 0 < k ∧ k ≤ n ∧ |↑k * ξ - j| ≤ 1 / (n + 1)

Proof state:
case h.e'_3
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_lt_y : x < y
hxy : f x = f y
⊢ |(ξ * ↑(y - x) - ↑(⌊ξ * ↑y⌋ - ⌊ξ * ↑x⌋)) * (↑n + 1)| = |fract (ξ * ↑y) * (↑n + 1) - fract (ξ * ↑x) * (↑n + 1)|

Tactic:
congr

Result:
case h.e'_3.e_a
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_lt_y : x < y
hxy : f x = f y
⊢ (ξ * ↑(y - x) - ↑(⌊ξ * ↑y⌋ - ⌊ξ * ↑x⌋)) * (↑n + 1) = fract (ξ * ↑y) * (↑n + 1) - fract (ξ * ↑x) * (↑n + 1)

Proof state:
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
⊢ #(Ico 0 ↑n) < #D

Tactic:
rw [card_Icc, card_Ico]

Result:
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
⊢ (↑n - 0).toNat < (↑n + 1 - 0).toNat

Proof state:
case neg.intro.intro.intro.intro.intro
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_lt_y : x < y
hxy : f x = f y
⊢ |(ξ * ↑(y - x) - ↑(⌊ξ * ↑y⌋ - ⌊ξ * ↑x⌋)) * (↑n + 1)| ≤ 1

Tactic:
convert_to |fract (ξ * y) * (n + 1) - fract (ξ * x) * (n + 1)| ≤ 1

Result:
case h.e'_3
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_lt_y : x < y
hxy : f x = f y
⊢ |(ξ * ↑(y - x) - ↑(⌊ξ * ↑y⌋ - ⌊ξ * ↑x⌋)) * (↑n + 1)| = |fract (ξ * ↑y) * (↑n + 1) - fract (ξ * ↑x) * (↑n + 1)|

case neg.intro.intro.intro.intro.intro
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_lt_y : x < y
hxy : f x = f y
⊢ |fract (ξ * ↑y) * (↑n + 1) - fract (ξ * ↑x) * (↑n + 1)| ≤ 1

Proof state:
case neg
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
⊢ ∃ j k, 0 < k ∧ k ≤ ↑n ∧ |(ξ * ↑k - ↑j) * (↑n + 1)| ≤ 1

Tactic:
have hD : #(Ico (0 : ℤ) n) < #D := by rw [card_Icc, card_Ico]; exact lt_add_one n

Result:
case neg
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
⊢ ∃ j k, 0 < k ∧ k ≤ ↑n ∧ |(ξ * ↑k - ↑j) * (↑n + 1)| ≤ 1

Proof state:
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
⊢ (↑n - 0).toNat < (↑n + 1 - 0).toNat

Tactic:
exact lt_add_one n

Result:
no goals

Proof state:
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
⊢ ∃ j k, 0 < k ∧ k ≤ ↑n ∧ |↑k * ξ - ↑j| ≤ 1 / (↑n + 1)

Tactic:
have hn : 0 < (n : ℝ) + 1 := mod_cast Nat.succ_pos _

Result:
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
⊢ ∃ j k, 0 < k ∧ k ≤ ↑n ∧ |↑k * ξ - ↑j| ≤ 1 / (↑n + 1)

Proof state:
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
⊢ ∃ j k, 0 < k ∧ k ≤ ↑n ∧ |(ξ * ↑k - ↑j) * (↑n + 1)| ≤ 1

Tactic:
let D := Icc (0 : ℤ) n

Result:
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
⊢ ∃ j k, 0 < k ∧ k ≤ ↑n ∧ |(ξ * ↑k - ↑j) * (↑n + 1)| ≤ 1

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.intro
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_ne_y : x ≠ y
hxy : f x = f y
⊢ ∃ x ∈ D, ∃ y ∈ D, x < y ∧ f x = f y

Tactic:
rcases lt_trichotomy x y with (h | h | h)

Result:
case intro.intro.intro.intro.intro.inl
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_ne_y : x ≠ y
hxy : f x = f y
h : x < y
⊢ ∃ x ∈ D, ∃ y ∈ D, x < y ∧ f x = f y

case intro.intro.intro.intro.intro.inr.inl
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_ne_y : x ≠ y
hxy : f x = f y
h : x = y
⊢ ∃ x ∈ D, ∃ y ∈ D, x < y ∧ f x = f y

case intro.intro.intro.intro.intro.inr.inr
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_ne_y : x ≠ y
hxy : f x = f y
h : y < x
⊢ ∃ x ∈ D, ∃ y ∈ D, x < y ∧ f x = f y

Proof state:
case h.e'_3.e_a
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_lt_y : x < y
hxy : f x = f y
⊢ (ξ * (↑y - ↑x) - (↑⌊ξ * ↑y⌋ - ↑⌊ξ * ↑x⌋)) * (↑n + 1) = fract (ξ * ↑y) * (↑n + 1) - fract (ξ * ↑x) * (↑n + 1)

Tactic:
simp only [fract]

Result:
case h.e'_3.e_a
ξ : ℝ
n : ℕ
n_pos : 0 < n
f : ℤ → ℤ := fun m => ⌊fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1)⌋
hn : 0 < ↑n + 1
hfu : ∀ (m : ℤ), fract (ξ * ↑m) * (↑n + 1) < ↑n + 1
D : Finset ℤ := Icc 0 ↑n
H : ∀ x ∈ D, ¬f x = ↑n
hD : #(Ico 0 ↑n) < #D
hfu' : ∀ (m : ℤ), f m ≤ ↑n
hwd : ∀ m ∈ D, f m ∈ Ico 0 ↑n
x : ℤ
hx : x ∈ D
y : ℤ
hy : y ∈ D
x_lt_y : x < y
hxy : f x = f y
⊢ (ξ * (↑y - ↑x) - (↑⌊ξ * ↑y⌋ - ↑⌊ξ * ↑x⌋)) * (↑n + 1) =
    (ξ * ↑y - ↑⌊ξ * ↑y⌋) * (↑n + 1) - (ξ * ↑x - ↑⌊ξ * ↑x⌋) * (↑n + 1)