-- Mathlib/Analysis/Seminorm.lean
/-- Let `p` be a seminorm on a vector space over a `NormedField`.
If there is a scalar `c` with `‖c‖>1`, then any `x` such that `p x ≠ 0` can be
moved by scalar multiplication to any `p`-shell of width `‖c‖`. Also recap information on the
value of `p` on the rescaling element that shows up in applications. -/
lemma rescale_to_shell_zpow (p : Seminorm 𝕜 E) {c : 𝕜} (hc : 1 < ‖c‖) {ε : ℝ}
    (εpos : 0 < ε) {x : E} (hx : p x ≠ 0) : ∃ n : ℤ, c^n ≠ 0 ∧
    p (c^n • x) < ε ∧ (ε / ‖c‖ ≤ p (c^n • x)) ∧ (‖c^n‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x)

Proof state:
case intro
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
⊢ ∃ n, c ^ n ≠ 0 ∧ p (c ^ n • x) < ε ∧ ε / ‖c‖ ≤ p (c ^ n • x) ∧ ‖c ^ n‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Tactic:
have cnpos : 0 < ‖c^(n+1)‖ := by rw [norm_zpow]; exact xεpos.trans hn.2

Result:
case intro
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
cnpos : 0 < ‖c ^ (n + 1)‖
⊢ ∃ n, c ^ n ≠ 0 ∧ p (c ^ n • x) < ε ∧ ε / ‖c‖ ≤ p (c ^ n • x) ∧ ‖c ^ n‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Proof state:
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
⊢ ∃ n, c ^ n ≠ 0 ∧ p (c ^ n • x) < ε ∧ ε / ‖c‖ ≤ p (c ^ n • x) ∧ ‖c ^ n‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Tactic:
have xεpos : 0 < (p x)/ε := by positivity

Result:
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
⊢ ∃ n, c ^ n ≠ 0 ∧ p (c ^ n • x) < ε ∧ ε / ‖c‖ ≤ p (c ^ n • x) ∧ ‖c ^ n‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Proof state:
case intro.refine_3
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
cnpos : 0 < ‖c ^ (n + 1)‖
⊢ ε / ‖c‖ ≤ p (c ^ (-(n + 1)) • x)

Tactic:
rw [zpow_neg, div_le_iff₀ cpos, map_smul_eq_mul, norm_inv, norm_zpow, zpow_add₀ (ne_of_gt cpos),
    zpow_one, mul_inv_rev, mul_comm, ← mul_assoc, ← mul_assoc, mul_inv_cancel₀ (ne_of_gt cpos),
    one_mul, ← div_eq_inv_mul, le_div_iff₀ (zpow_pos cpos _), mul_comm]

Result:
case intro.refine_3
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
cnpos : 0 < ‖c ^ (n + 1)‖
⊢ ‖c‖ ^ n * ε ≤ p x

Proof state:
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
⊢ ∃ n, c ^ n ≠ 0 ∧ p (c ^ n • x) < ε ∧ ε / ‖c‖ ≤ p (c ^ n • x) ∧ ‖c ^ n‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Tactic:
rcases exists_mem_Ico_zpow xεpos hc with ⟨n, hn⟩

Result:
case intro
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
⊢ ∃ n, c ^ n ≠ 0 ∧ p (c ^ n • x) < ε ∧ ε / ‖c‖ ≤ p (c ^ n • x) ∧ ‖c ^ n‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Proof state:
case intro.refine_2
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
cnpos : 0 < ‖c ^ (n + 1)‖
⊢ p (c ^ (-(n + 1)) • x) < ε

Tactic:
rw [map_smul_eq_mul, zpow_neg, norm_inv, ← div_eq_inv_mul, div_lt_iff₀ cnpos, mul_comm,
    norm_zpow]

Result:
case intro.refine_2
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
cnpos : 0 < ‖c ^ (n + 1)‖
⊢ p x < ‖c‖ ^ (n + 1) * ε

Proof state:
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
⊢ 0 < ‖c‖

Tactic:
positivity

Result:
no goals

Proof state:
case intro.refine_4
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
cnpos : 0 < ‖c ^ (n + 1)‖
⊢ ‖c ^ (-(n + 1))‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Tactic:
have : ε⁻¹ * ‖c‖ * p x = ε⁻¹ * p x * ‖c‖ := by ring

Result:
case intro.refine_4
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
cnpos : 0 < ‖c ^ (n + 1)‖
this : ε⁻¹ * ‖c‖ * p x = ε⁻¹ * p x * ‖c‖
⊢ ‖c ^ (-(n + 1))‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Proof state:
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
⊢ 0 < ‖c‖ ^ (n + 1)

Tactic:
exact xεpos.trans hn.2

Result:
no goals

Proof state:
case intro.refine_1
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
cnpos : 0 < ‖c ^ (n + 1)‖
⊢ c ^ (-(n + 1)) ≠ 0

Tactic:
exact zpow_ne_zero _ (norm_pos_iff.1 cpos)

Result:
no goals

Proof state:
case intro
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
⊢ ∃ n, c ^ n ≠ 0 ∧ p (c ^ n • x) < ε ∧ ε / ‖c‖ ≤ p (c ^ n • x) ∧ ‖c ^ n‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Tactic:
have cpos : 0 < ‖c‖ := by positivity

Result:
case intro
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
⊢ ∃ n, c ^ n ≠ 0 ∧ p (c ^ n • x) < ε ∧ ε / ‖c‖ ≤ p (c ^ n • x) ∧ ‖c ^ n‖⁻¹ ≤ ε⁻¹ * ‖c‖ * p x

Proof state:
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
⊢ 0 < p x / ε

Tactic:
positivity

Result:
no goals

Proof state:
case intro.refine_4
𝕜 : Type u_3
E : Type u_7
inst✝² : NormedField 𝕜
inst✝¹ : AddCommGroup E
inst✝ : Module 𝕜 E
p : Seminorm 𝕜 E
c : 𝕜
hc : 1 < ‖c‖
ε : ℝ
εpos : 0 < ε
x : E
hx : p x ≠ 0
xεpos : 0 < p x / ε
n : ℤ
hn : p x / ε ∈ Ico (‖c‖ ^ n) (‖c‖ ^ (n + 1))
cpos : 0 < ‖c‖
cnpos : 0 < ‖c ^ (n + 1)‖
this : ε⁻¹ * ‖c‖ * p x = ε⁻¹ * p x * ‖c‖
⊢ ‖c‖ ^ n * ‖c‖ ≤ p x / ε * ‖c‖

Tactic:
exact mul_le_mul_of_nonneg_right hn.1 (norm_nonneg _)

Result:
no goals