-- Mathlib/Analysis/InnerProductSpace/Subspace.lean
theorem OrthogonalFamily.norm_sq_diff_sum [DecidableEq ι] (f : ∀ i, G i) (s₁ s₂ : Finset ι) :
    ‖(∑ i ∈ s₁, V i (f i)) - ∑ i ∈ s₂, V i (f i)‖ ^ 2 =
      (∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖f i‖ ^ 2) + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖f i‖ ^ 2

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
F : (i : ι) → G i := fun i => if i ∈ s₁ then f i else -f i
⊢ ‖∑ x ∈ s₁ \ s₂, (V x) (f x) + ∑ x ∈ s₂ \ s₁, -(V x) (f x)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖f i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖f i‖ ^ 2

Tactic:
have hF₁ : ∀ i ∈ s₁ \ s₂, F i = f i := fun i hi => if_pos (Finset.sdiff_subset hi)

Result:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
F : (i : ι) → G i := fun i => if i ∈ s₁ then f i else -f i
hF₁ : ∀ i ∈ s₁ \ s₂, F i = f i
⊢ ‖∑ x ∈ s₁ \ s₂, (V x) (f x) + ∑ x ∈ s₂ \ s₁, -(V x) (f x)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖f i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖f i‖ ^ 2

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
⊢ ‖∑ i ∈ s₁, (V i) (f i) - ∑ i ∈ s₂, (V i) (f i)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖f i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖f i‖ ^ 2

Tactic:
rw [← Finset.sum_sdiff_sub_sum_sdiff, sub_eq_add_neg, ← Finset.sum_neg_distrib]

Result:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
⊢ ‖∑ x ∈ s₁ \ s₂, (V x) (f x) + ∑ x ∈ s₂ \ s₁, -(V x) (f x)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖f i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖f i‖ ^ 2

Proof state:
case h.e'_2.h.e'_5.h.e'_3.h.e'_6
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
F : (i : ι) → G i := fun i => if i ∈ s₁ then f i else -f i
hF₁ : ∀ i ∈ s₁ \ s₂, F i = f i
hF₂ : ∀ i ∈ s₂ \ s₁, F i = -f i
hF : ∀ (i : ι), ‖F i‖ = ‖f i‖
this :
  ‖∑ i ∈ s₁ \ s₂, (V i) (F i) + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, (V i) (F i)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖F i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖F i‖ ^ 2
⊢ ∑ x ∈ s₂ \ s₁, -(V x) (f x) = ∑ i ∈ s₂ \ s₁, (V i) (F i)

Tactic:
refine Finset.sum_congr rfl fun i hi => ?_

Result:
case h.e'_2.h.e'_5.h.e'_3.h.e'_6
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
F : (i : ι) → G i := fun i => if i ∈ s₁ then f i else -f i
hF₁ : ∀ i ∈ s₁ \ s₂, F i = f i
hF₂ : ∀ i ∈ s₂ \ s₁, F i = -f i
hF : ∀ (i : ι), ‖F i‖ = ‖f i‖
this :
  ‖∑ i ∈ s₁ \ s₂, (V i) (F i) + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, (V i) (F i)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖F i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖F i‖ ^ 2
i : ι
hi : i ∈ s₂ \ s₁
⊢ -(V i) (f i) = (V i) (F i)

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
F : (i : ι) → G i := fun i => if i ∈ s₁ then f i else -f i
hF₁ : ∀ i ∈ s₁ \ s₂, F i = f i
hF₂ : ∀ i ∈ s₂ \ s₁, F i = -f i
hF : ∀ (i : ι), ‖F i‖ = ‖f i‖
⊢ ‖∑ x ∈ s₁ \ s₂, (V x) (f x) + ∑ x ∈ s₂ \ s₁, -(V x) (f x)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖f i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖f i‖ ^ 2

Tactic:
have :
  ‖(∑ i ∈ s₁ \ s₂, V i (F i)) + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, V i (F i)‖ ^ 2 =
    (∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖F i‖ ^ 2) + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖F i‖ ^ 2 := by
  have hs : Disjoint (s₁ \ s₂) (s₂ \ s₁) := disjoint_sdiff_sdiff
  simpa only [Finset.sum_union hs] using hV.norm_sum F (s₁ \ s₂ ∪ s₂ \ s₁)

Result:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
F : (i : ι) → G i := fun i => if i ∈ s₁ then f i else -f i
hF₁ : ∀ i ∈ s₁ \ s₂, F i = f i
hF₂ : ∀ i ∈ s₂ \ s₁, F i = -f i
hF : ∀ (i : ι), ‖F i‖ = ‖f i‖
this :
  ‖∑ i ∈ s₁ \ s₂, (V i) (F i) + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, (V i) (F i)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖F i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖F i‖ ^ 2
⊢ ‖∑ x ∈ s₁ \ s₂, (V x) (f x) + ∑ x ∈ s₂ \ s₁, -(V x) (f x)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖f i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖f i‖ ^ 2

Proof state:
case h.e'_2.h.e'_5.h.e'_3.h.e'_6
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
F : (i : ι) → G i := fun i => if i ∈ s₁ then f i else -f i
hF₁ : ∀ i ∈ s₁ \ s₂, F i = f i
hF₂ : ∀ i ∈ s₂ \ s₁, F i = -f i
hF : ∀ (i : ι), ‖F i‖ = ‖f i‖
this :
  ‖∑ i ∈ s₁ \ s₂, (V i) (F i) + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, (V i) (F i)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖F i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖F i‖ ^ 2
i : ι
hi : i ∈ s₂ \ s₁
⊢ -(V i) (f i) = (V i) (F i)

Tactic:
simp only [hF₂ i hi, LinearIsometry.map_neg]

Result:
no goals

Proof state:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
F : (i : ι) → G i := fun i => if i ∈ s₁ then f i else -f i
hF₁ : ∀ i ∈ s₁ \ s₂, F i = f i
hF₂ : ∀ i ∈ s₂ \ s₁, F i = -f i
⊢ ‖∑ x ∈ s₁ \ s₂, (V x) (f x) + ∑ x ∈ s₂ \ s₁, -(V x) (f x)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖f i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖f i‖ ^ 2

Tactic:
have hF : ∀ i, ‖F i‖ = ‖f i‖ := by
  intro i
  dsimp only [F]
  split_ifs <;> simp only [eq_self_iff_true, norm_neg]

Result:
𝕜 : Type u_1
E : Type u_2
inst✝⁵ : RCLike 𝕜
inst✝⁴ : SeminormedAddCommGroup E
inst✝³ : InnerProductSpace 𝕜 E
ι : Type u_4
G : ι → Type u_5
inst✝² : (i : ι) → NormedAddCommGroup (G i)
inst✝¹ : (i : ι) → InnerProductSpace 𝕜 (G i)
V : (i : ι) → G i →ₗᵢ[𝕜] E
hV : OrthogonalFamily 𝕜 G V
inst✝ : DecidableEq ι
f : (i : ι) → G i
s₁ s₂ : Finset ι
F : (i : ι) → G i := fun i => if i ∈ s₁ then f i else -f i
hF₁ : ∀ i ∈ s₁ \ s₂, F i = f i
hF₂ : ∀ i ∈ s₂ \ s₁, F i = -f i
hF : ∀ (i : ι), ‖F i‖ = ‖f i‖
⊢ ‖∑ x ∈ s₁ \ s₂, (V x) (f x) + ∑ x ∈ s₂ \ s₁, -(V x) (f x)‖ ^ 2 = ∑ i ∈ s₁ \ s₂, ‖f i‖ ^ 2 + ∑ i ∈ s₂ \ s₁, ‖f i‖ ^ 2