-- Mathlib/LinearAlgebra/Matrix/Gershgorin.lean
theorem eigenvalue_mem_ball {μ : K} (hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ) :
    ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

Proof state:
case inr.intro.intro.intro.intro
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz✝ : v ≠ 0
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
h_nz : v i ≠ 0
⊢ ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

Tactic:
have h_le : ∀ j, ‖v j * (v i)⁻¹‖ ≤ 1 := fun j => by
  rw [norm_mul, norm_inv, mul_inv_le_iff₀ (norm_pos_iff.mpr h_nz), one_mul]
  exact h_i ▸ Finset.le_sup' (fun i => ‖v i‖) (Finset.mem_univ j)

Result:
case inr.intro.intro.intro.intro
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz✝ : v ≠ 0
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
h_nz : v i ≠ 0
h_le : ∀ (j : n), ‖v j * (v i)⁻¹‖ ≤ 1
⊢ ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

Proof state:
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz✝ : v ≠ 0
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
h_nz : v i ≠ 0
h_le : ∀ (j : n), ‖v j * (v i)⁻¹‖ ≤ 1
⊢ μ * v i = A.mulVec v i

Tactic:
exact (congrFun (Module.End.mem_eigenspace_iff.mp h_eg) i).symm

Result:
no goals

Proof state:
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
h_nz : v i = 0
⊢ v = 0

Tactic:
ext j

Result:
case h
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
h_nz : v i = 0
j : n
⊢ v j = 0 j

Proof state:
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
⊢ ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

Tactic:
cases isEmpty_or_nonempty n

Result:
case inl
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : IsEmpty n
⊢ ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

case inr
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
⊢ ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

Proof state:
case inr.intro.intro.intro.intro
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz✝ : v ≠ 0
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
h_nz : v i ≠ 0
h_le : ∀ (j : n), ‖v j * (v i)⁻¹‖ ≤ 1
⊢ ∃ k, ‖A k k - μ‖ ≤ ∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖

Tactic:
refine ⟨i, ?_⟩

Result:
case inr.intro.intro.intro.intro
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz✝ : v ≠ 0
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
h_nz : v i ≠ 0
h_le : ∀ (j : n), ‖v j * (v i)⁻¹‖ ≤ 1
⊢ ‖A i i - μ‖ ≤ ∑ j ∈ Finset.univ.erase i, ‖A i j‖

Proof state:
case inr
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
⊢ ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

Tactic:
obtain ⟨v, h_eg, h_nz⟩ := hμ.exists_hasEigenvector

Result:
case inr.intro.intro
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz : v ≠ 0
⊢ ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

Proof state:
case inr.intro.intro
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz : v ≠ 0
⊢ ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

Tactic:
obtain ⟨i, -, h_i⟩ := Finset.exists_mem_eq_sup' Finset.univ_nonempty (fun i => ‖v i‖)

Result:
case inr.intro.intro.intro.intro
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz : v ≠ 0
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
⊢ ∃ k, μ ∈ Metric.closedBall (A k k) (∑ j ∈ Finset.univ.erase k, ‖A k j‖)

Proof state:
case inr.intro.intro.intro.intro
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz✝ : v ≠ 0
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
h_nz : v i ≠ 0
h_le : ∀ (j : n), ‖v j * (v i)⁻¹‖ ≤ 1
⊢ ‖A i i - μ‖ ≤ ∑ j ∈ Finset.univ.erase i, ‖A i j‖

Tactic:
calc
  _ = ‖(A i i * v i - μ * v i) * (v i)⁻¹‖ := by congr; field_simp [h_nz]; ring
  _ = ‖(A i i * v i - ∑ j, A i j * v j) * (v i)⁻¹‖ := by
            rw [show μ * v i = ∑ x : n, A i x * v x by
              rw [← dotProduct, ← Matrix.mulVec]
              exact (congrFun (Module.End.mem_eigenspace_iff.mp h_eg) i).symm]
  _ = ‖(∑ j ∈ Finset.univ.erase i, A i j * v j) * (v i)⁻¹‖ := by
            rw [Finset.sum_erase_eq_sub (Finset.mem_univ i), ← neg_sub, neg_mul, norm_neg]
  _ ≤ ∑ j ∈ Finset.univ.erase i, ‖A i j‖ * ‖v j * (v i)⁻¹‖ := by
            rw [Finset.sum_mul]
            exact (norm_sum_le _ _).trans (le_of_eq (by simp_rw [mul_assoc, norm_mul]))
  _ ≤ ∑ j ∈ Finset.univ.erase i, ‖A i j‖ :=
            (Finset.sum_le_sum fun j _ => mul_le_of_le_one_right (norm_nonneg _) (h_le j))

Result:
no goals

Proof state:
K : Type u_1
n : Type u_2
inst✝² : NormedField K
inst✝¹ : Fintype n
inst✝ : DecidableEq n
A : Matrix n n K
μ : K
hμ : Module.End.HasEigenvalue (Matrix.toLin' A) μ
h✝ : Nonempty n
v : n → K
h_eg : v ∈ (Module.End.genEigenspace (Matrix.toLin' A) μ) 1
h_nz✝ : v ≠ 0
i : n
h_i : (Finset.univ.sup' ⋯ fun i => ‖v i‖) = ‖v i‖
h_nz : v i ≠ 0
h_le : ∀ (j : n), ‖v j * (v i)⁻¹‖ ≤ 1
⊢ ‖∑ i_1 ∈ Finset.univ.erase i, A i i_1 * v i_1 * (v i)⁻¹‖ ≤ ∑ j ∈ Finset.univ.erase i, ‖A i j‖ * ‖v j * (v i)⁻¹‖

Tactic:
exact (norm_sum_le _ _).trans (le_of_eq (by simp_rw [mul_assoc, norm_mul]))

Result:
no goals