-- Mathlib/Analysis/Convex/Cone/Extension.lean
theorem step (nonneg : ∀ x : f.domain, (x : E) ∈ s → 0 ≤ f x)
    (dense : ∀ y, ∃ x : f.domain, (x : E) + y ∈ s) (hdom : f.domain ≠ ⊤) :
    ∃ g, f < g ∧ ∀ x : g.domain, (x : E) ∈ s → 0 ≤ g x

Proof state:
case refine_1.intro
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
Sn : Set ℝ := ↑f '' {x | -↑x - y ∈ s}
x : ↥f.domain
hx : ↑x + -y ∈ s
⊢ {x | -↑x - y ∈ s}.Nonempty

Tactic:
rw [← neg_neg x, NegMemClass.coe_neg, ← sub_eq_add_neg] at hx

Result:
case refine_1.intro
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
Sn : Set ℝ := ↑f '' {x | -↑x - y ∈ s}
x : ↥f.domain
hx : -↑(-x) - y ∈ s
⊢ {x | -↑x - y ∈ s}.Nonempty

Proof state:
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
Sn : Set ℝ := ↑f '' {x | -↑x - y ∈ s}
⊢ (upperBounds Sn ∩ lowerBounds Sp).Nonempty

Tactic:
refine exists_between_of_forall_le (Nonempty.image f ?_) (Nonempty.image f (dense y)) ?_

Result:
case refine_1
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
Sn : Set ℝ := ↑f '' {x | -↑x - y ∈ s}
⊢ {x | -↑x - y ∈ s}.Nonempty

case refine_2
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
Sn : Set ℝ := ↑f '' {x | -↑x - y ∈ s}
⊢ ∀ x ∈ Sn, ∀ y ∈ Sp, x ≤ y

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.refine_2.mk.intro.intro.intro.intro.intro
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
c : ℝ
le_c : ∀ (x : ↥f.domain), -↑x - y ∈ s → ↑f x ≤ c
c_le : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x + y ∈ s → c ≤ ↑f x
x : E
hx : x ∈ f.domain
r : ℝ
hy' : r • y ∈ (LinearPMap.mkSpanSingleton y (-c) ⋯).domain
hz : x + r • y ∈ (f.supSpanSingleton y (-c) hy).domain
hzs : ↑⟨x + r • y, hz⟩ ∈ s
⊢ 0 ≤ ↑(f.supSpanSingleton y (-c) hy) ⟨x + r • y, hz⟩

Tactic:
simp only [Subtype.coe_mk] at hzs

Result:
case intro.intro.intro.intro.refine_2.mk.intro.intro.intro.intro.intro
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
c : ℝ
le_c : ∀ (x : ↥f.domain), -↑x - y ∈ s → ↑f x ≤ c
c_le : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x + y ∈ s → c ≤ ↑f x
x : E
hx : x ∈ f.domain
r : ℝ
hy' : r • y ∈ (LinearPMap.mkSpanSingleton y (-c) ⋯).domain
hz : x + r • y ∈ (f.supSpanSingleton y (-c) hy).domain
hzs : x + r • y ∈ s
⊢ 0 ≤ ↑(f.supSpanSingleton y (-c) hy) ⟨x + r • y, hz⟩

Proof state:
case intro.intro.intro.intro.refine_2.mk.intro.intro.intro.intro.intro.inr.inr
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
c : ℝ
le_c : ∀ (x : ↥f.domain), -↑x - y ∈ s → ↑f x ≤ c
c_le : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x + y ∈ s → c ≤ ↑f x
x : E
hx : x ∈ f.domain
r : ℝ
hy' : r • y ∈ (LinearPMap.mkSpanSingleton y (-c) ⋯).domain
hz : x + r • y ∈ (f.supSpanSingleton y (-c) hy).domain
hzs : x + r • y ∈ s
hr : 0 < r
this : c ≤ ↑f (r⁻¹ • ⟨x, hx⟩)
⊢ r • c ≤ ↑f ⟨x, hx⟩

Tactic:
rwa [← mul_le_mul_left hr, f.map_smul, smul_eq_mul, ← mul_assoc, mul_inv_cancel₀ hr.ne',
  one_mul] at this

Result:
no goals

Proof state:
case refine_2.intro.intro.intro.intro
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
Sn : Set ℝ := ↑f '' {x | -↑x - y ∈ s}
xn : ↥f.domain
hxn : xn ∈ {x | -↑x - y ∈ s}
xp : ↥f.domain
hxp : xp ∈ {x | ↑x + y ∈ s}
this : ↑(xp - xn) ∈ s
⊢ ↑f xn ≤ ↑f xp

Tactic:
replace := nonneg _ this

Result:
case refine_2.intro.intro.intro.intro
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
Sn : Set ℝ := ↑f '' {x | -↑x - y ∈ s}
xn : ↥f.domain
hxn : xn ∈ {x | -↑x - y ∈ s}
xp : ↥f.domain
hxp : xp ∈ {x | ↑x + y ∈ s}
this : 0 ≤ ↑f (xp - xn)
⊢ ↑f xn ≤ ↑f xp

Proof state:
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
Sn : Set ℝ := ↑f '' {x | -↑x - y ∈ s}
⊢ ∃ c, (∀ (x : ↥f.domain), -↑x - y ∈ s → ↑f x ≤ c) ∧ ∀ (x : ↥f.domain), ↑x + y ∈ s → c ≤ ↑f x

Tactic:
suffices (upperBounds Sn ∩ lowerBounds Sp).Nonempty by
  simpa only [Sp, Sn, Set.Nonempty, upperBounds, lowerBounds, forall_mem_image] using this

Result:
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
Sn : Set ℝ := ↑f '' {x | -↑x - y ∈ s}
⊢ (upperBounds Sn ∩ lowerBounds Sp).Nonempty

Proof state:
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
⊢ ∃ c, (∀ (x : ↥f.domain), -↑x - y ∈ s → ↑f x ≤ c) ∧ ∀ (x : ↥f.domain), ↑x + y ∈ s → c ≤ ↑f x

Tactic:
set Sp := f '' { x : f.domain | (x : E) + y ∈ s }

Result:
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
Sp : Set ℝ := ↑f '' {x | ↑x + y ∈ s}
⊢ ∃ c, (∀ (x : ↥f.domain), -↑x - y ∈ s → ↑f x ≤ c) ∧ ∀ (x : ↥f.domain), ↑x + y ∈ s → c ≤ ↑f x

Proof state:
E : Type u_2
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module ℝ E
s : ConvexCone ℝ E
f : E →ₗ.[ℝ] ℝ
nonneg : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x ∈ s → 0 ≤ ↑f x
dense : ∀ (y : E), ∃ x, ↑x + y ∈ s
hdom : f.domain ≠ ⊤
y : E
hy : y ∉ f.domain
c : ℝ
le_c : ∀ (x : ↥f.domain), -↑x - y ∈ s → ↑f x ≤ c
c_le : ∀ (x : ↥f.domain), ↑x + y ∈ s → c ≤ ↑f x
x : E
hx : x ∈ f.domain
r : ℝ
hy' : r • y ∈ (LinearPMap.mkSpanSingleton y (-c) ⋯).domain
hz : x + r • y ∈ (f.supSpanSingleton y (-c) hy).domain
hzs : x + r • y ∈ s
hr : 0 < r
this : r⁻¹ • x + y ∈ s
⊢ ↑(r⁻¹ • ⟨x, hx⟩) + y ∈ s

Tactic:
exact this

Result:
no goals