[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₁ : ∃ k, k ≠ 1 ∧ x + y = k • (x - y)
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
⊢ ‖x - y‖ * ‖x + y‖ = |‖z + y‖ ^ 2 - ‖z - x‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
obtain ⟨k, hk_ne_one, hk⟩ := h₁
[GOAL]
case intro.intro
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
⊢ ‖x - y‖ * ‖x + y‖ = |‖z + y‖ ^ 2 - ‖z - x‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
let r := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
[GOAL]
case intro.intro
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
⊢ ‖x - y‖ * ‖x + y‖ = |‖z + y‖ ^ 2 - ‖z - x‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
have hxy : x = r • y :=
  by
  rw [← smul_smul, eq_inv_smul_iff₀ (sub_ne_zero.mpr hk_ne_one), ← sub_eq_zero]
  calc
    (k - 1) • x - (k + 1) • y = k • x - x - (k • y + y) := by simp_rw [sub_smul, add_smul, one_smul]
    _ = k • x - k • y - (x + y) := by simp_rw [← sub_sub, sub_right_comm]
    _ = k • (x - y) - (x + y) := by rw [← smul_sub k x y]
    _ = 0 := sub_eq_zero.mpr hk.symm
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
⊢ x = r • y
[PROOFSTEP]
rw [← smul_smul, eq_inv_smul_iff₀ (sub_ne_zero.mpr hk_ne_one), ← sub_eq_zero]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
⊢ (k - 1) • x - (k + 1) • y = 0
[PROOFSTEP]
calc
  (k - 1) • x - (k + 1) • y = k • x - x - (k • y + y) := by simp_rw [sub_smul, add_smul, one_smul]
  _ = k • x - k • y - (x + y) := by simp_rw [← sub_sub, sub_right_comm]
  _ = k • (x - y) - (x + y) := by rw [← smul_sub k x y]
  _ = 0 := sub_eq_zero.mpr hk.symm
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
⊢ (k - 1) • x - (k + 1) • y = k • x - x - (k • y + y)
[PROOFSTEP]
simp_rw [sub_smul, add_smul, one_smul]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
⊢ k • x - x - (k • y + y) = k • x - k • y - (x + y)
[PROOFSTEP]
simp_rw [← sub_sub, sub_right_comm]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
⊢ k • x - k • y - (x + y) = k • (x - y) - (x + y)
[PROOFSTEP]
rw [← smul_sub k x y]
[GOAL]
case intro.intro
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
⊢ ‖x - y‖ * ‖x + y‖ = |‖z + y‖ ^ 2 - ‖z - x‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
have hzy : ⟪z, y⟫ = 0 := by
  rwa [inner_eq_zero_iff_angle_eq_pi_div_two, ← norm_add_eq_norm_sub_iff_angle_eq_pi_div_two, eq_comm]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
⊢ inner z y = 0
[PROOFSTEP]
rwa [inner_eq_zero_iff_angle_eq_pi_div_two, ← norm_add_eq_norm_sub_iff_angle_eq_pi_div_two, eq_comm]
[GOAL]
case intro.intro
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
⊢ ‖x - y‖ * ‖x + y‖ = |‖z + y‖ ^ 2 - ‖z - x‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
have hzx : ⟪z, x⟫ = 0 := by rw [hxy, inner_smul_right, hzy, mul_zero]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
⊢ inner z x = 0
[PROOFSTEP]
rw [hxy, inner_smul_right, hzy, mul_zero]
[GOAL]
case intro.intro
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
hzx : inner z x = 0
⊢ ‖x - y‖ * ‖x + y‖ = |‖z + y‖ ^ 2 - ‖z - x‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
calc
  ‖x - y‖ * ‖x + y‖ = ‖(r - 1) • y‖ * ‖(r + 1) • y‖ := by simp [sub_smul, add_smul, hxy]
  _ = ‖r - 1‖ * ‖y‖ * (‖r + 1‖ * ‖y‖) := by simp_rw [norm_smul]
  _ = ‖r - 1‖ * ‖r + 1‖ * ‖y‖ ^ 2 := by ring
  _ = |(r - 1) * (r + 1) * ‖y‖ ^ 2| := by simp [abs_mul]
  _ = |r ^ 2 * ‖y‖ ^ 2 - ‖y‖ ^ 2| := by ring_nf
  _ = |‖x‖ ^ 2 - ‖y‖ ^ 2| := by simp [hxy, norm_smul, mul_pow, sq_abs]
  _ = |‖z + y‖ ^ 2 - ‖z - x‖ ^ 2| := by simp [norm_add_sq_real, norm_sub_sq_real, hzy, hzx, abs_sub_comm]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
hzx : inner z x = 0
⊢ ‖x - y‖ * ‖x + y‖ = ‖(r - 1) • y‖ * ‖(r + 1) • y‖
[PROOFSTEP]
simp [sub_smul, add_smul, hxy]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
hzx : inner z x = 0
⊢ ‖(r - 1) • y‖ * ‖(r + 1) • y‖ = ‖r - 1‖ * ‖y‖ * (‖r + 1‖ * ‖y‖)
[PROOFSTEP]
simp_rw [norm_smul]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
hzx : inner z x = 0
⊢ ‖r - 1‖ * ‖y‖ * (‖r + 1‖ * ‖y‖) = ‖r - 1‖ * ‖r + 1‖ * ‖y‖ ^ 2
[PROOFSTEP]
ring
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
hzx : inner z x = 0
⊢ ‖r - 1‖ * ‖r + 1‖ * ‖y‖ ^ 2 = |(r - 1) * (r + 1) * ‖y‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
simp [abs_mul]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
hzx : inner z x = 0
⊢ |(r - 1) * (r + 1) * ‖y‖ ^ 2| = |r ^ 2 * ‖y‖ ^ 2 - ‖y‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
ring_nf
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
hzx : inner z x = 0
⊢ |r ^ 2 * ‖y‖ ^ 2 - ‖y‖ ^ 2| = |‖x‖ ^ 2 - ‖y‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
simp [hxy, norm_smul, mul_pow, sq_abs]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝¹ : NormedAddCommGroup V
inst✝ : InnerProductSpace ℝ V
x y z : V
h₂ : ‖z - y‖ = ‖z + y‖
k : ℝ
hk_ne_one : k ≠ 1
hk : x + y = k • (x - y)
r : ℝ := (k - 1)⁻¹ * (k + 1)
hxy : x = r • y
hzy : inner z y = 0
hzx : inner z x = 0
⊢ |‖x‖ ^ 2 - ‖y‖ ^ 2| = |‖z + y‖ ^ 2 - ‖z - x‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
simp [norm_add_sq_real, norm_sub_sq_real, hzy, hzx, abs_sub_comm]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
⊢ dist a p * dist b p = |dist b q ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
let m : P := midpoint ℝ a b
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
⊢ dist a p * dist b p = |dist b q ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
have h1 := vsub_sub_vsub_cancel_left a p m
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
⊢ dist a p * dist b p = |dist b q ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
have h2 := vsub_sub_vsub_cancel_left p q m
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
⊢ dist a p * dist b p = |dist b q ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
have h3 := vsub_sub_vsub_cancel_left a q m
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
⊢ dist a p * dist b p = |dist b q ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
have h : ∀ r, b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a) := fun r => by
  rw [midpoint_vsub_left, ← right_vsub_midpoint, add_comm, vsub_add_vsub_cancel]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
r : P
⊢ b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
[PROOFSTEP]
rw [midpoint_vsub_left, ← right_vsub_midpoint, add_comm, vsub_add_vsub_cancel]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
h : ∀ (r : P), b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
⊢ dist a p * dist b p = |dist b q ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
iterate 4 rw [dist_eq_norm_vsub V]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
h : ∀ (r : P), b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
⊢ dist a p * dist b p = |dist b q ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
rw [dist_eq_norm_vsub V]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
h : ∀ (r : P), b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
⊢ ‖a -ᵥ p‖ * dist b p = |dist b q ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
rw [dist_eq_norm_vsub V]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
h : ∀ (r : P), b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
⊢ ‖a -ᵥ p‖ * ‖b -ᵥ p‖ = |dist b q ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
rw [dist_eq_norm_vsub V]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
h : ∀ (r : P), b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
⊢ ‖a -ᵥ p‖ * ‖b -ᵥ p‖ = |‖b -ᵥ q‖ ^ 2 - dist p q ^ 2|
[PROOFSTEP]
rw [dist_eq_norm_vsub V]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
h : ∀ (r : P), b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
⊢ ‖a -ᵥ p‖ * ‖b -ᵥ p‖ = |‖b -ᵥ q‖ ^ 2 - ‖p -ᵥ q‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
rw [← h1, ← h2, h, h]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k • (a -ᵥ p)
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
h : ∀ (r : P), b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
⊢ ‖m -ᵥ p - (m -ᵥ a)‖ * ‖m -ᵥ p + (m -ᵥ a)‖ = |‖m -ᵥ q + (m -ᵥ a)‖ ^ 2 - ‖m -ᵥ q - (m -ᵥ p)‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
rw [← h1, h] at hp 
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
hq : dist a q = dist b q
m : P := midpoint ℝ a b
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ m -ᵥ p + (m -ᵥ a) = k • (m -ᵥ p - (m -ᵥ a))
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
h : ∀ (r : P), b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
⊢ ‖m -ᵥ p - (m -ᵥ a)‖ * ‖m -ᵥ p + (m -ᵥ a)‖ = |‖m -ᵥ q + (m -ᵥ a)‖ ^ 2 - ‖m -ᵥ q - (m -ᵥ p)‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
rw [dist_eq_norm_vsub V a q, dist_eq_norm_vsub V b q, ← h3, h] at hq 
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b p q : P
m : P := midpoint ℝ a b
hq : ‖m -ᵥ q - (m -ᵥ a)‖ = ‖m -ᵥ q + (m -ᵥ a)‖
hp : ∃ k, k ≠ 1 ∧ m -ᵥ p + (m -ᵥ a) = k • (m -ᵥ p - (m -ᵥ a))
h1 : m -ᵥ p - (m -ᵥ a) = a -ᵥ p
h2 : m -ᵥ q - (m -ᵥ p) = p -ᵥ q
h3 : m -ᵥ q - (m -ᵥ a) = a -ᵥ q
h : ∀ (r : P), b -ᵥ r = m -ᵥ r + (m -ᵥ a)
⊢ ‖m -ᵥ p - (m -ᵥ a)‖ * ‖m -ᵥ p + (m -ᵥ a)‖ = |‖m -ᵥ q + (m -ᵥ a)‖ ^ 2 - ‖m -ᵥ q - (m -ᵥ p)‖ ^ 2|
[PROOFSTEP]
exact mul_norm_eq_abs_sub_sq_norm hp hq
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∃ k₁, k₁ ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
hcpd : ∃ k₂, k₂ ≠ 1 ∧ d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
obtain ⟨q, r, h'⟩ := (cospherical_def { a, b, c, d }).mp h
[GOAL]
case intro.intro
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∃ k₁, k₁ ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
hcpd : ∃ k₂, k₂ ≠ 1 ∧ d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
q : P
r : ℝ
h' : ∀ (p : P), p ∈ {a, b, c, d} → dist p q = r
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
obtain ⟨ha, hb, hc, hd⟩ := h' a (by simp), h' b (by simp), h' c (by simp), h' d (by simp)
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∃ k₁, k₁ ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
hcpd : ∃ k₂, k₂ ≠ 1 ∧ d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
q : P
r : ℝ
h' : ∀ (p : P), p ∈ {a, b, c, d} → dist p q = r
⊢ a ∈ {a, b, c, d}
[PROOFSTEP]
simp
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∃ k₁, k₁ ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
hcpd : ∃ k₂, k₂ ≠ 1 ∧ d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
q : P
r : ℝ
h' : ∀ (p : P), p ∈ {a, b, c, d} → dist p q = r
⊢ b ∈ {a, b, c, d}
[PROOFSTEP]
simp
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∃ k₁, k₁ ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
hcpd : ∃ k₂, k₂ ≠ 1 ∧ d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
q : P
r : ℝ
h' : ∀ (p : P), p ∈ {a, b, c, d} → dist p q = r
⊢ c ∈ {a, b, c, d}
[PROOFSTEP]
simp
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∃ k₁, k₁ ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
hcpd : ∃ k₂, k₂ ≠ 1 ∧ d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
q : P
r : ℝ
h' : ∀ (p : P), p ∈ {a, b, c, d} → dist p q = r
⊢ d ∈ {a, b, c, d}
[PROOFSTEP]
simp
[GOAL]
case intro.intro
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∃ k₁, k₁ ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
hcpd : ∃ k₂, k₂ ≠ 1 ∧ d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
q : P
r : ℝ
h' : ∀ (p : P), p ∈ {a, b, c, d} → dist p q = r
ha : dist a q = r
hb : dist b q = r
hc : dist c q = r
hd : dist d q = r
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
rw [← hd] at hc 
[GOAL]
case intro.intro
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∃ k₁, k₁ ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
hcpd : ∃ k₂, k₂ ≠ 1 ∧ d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
q : P
r : ℝ
h' : ∀ (p : P), p ∈ {a, b, c, d} → dist p q = r
ha : dist a q = r
hb : dist b q = r
hc : dist c q = dist d q
hd : dist d q = r
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
rw [← hb] at ha 
[GOAL]
case intro.intro
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∃ k₁, k₁ ≠ 1 ∧ b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
hcpd : ∃ k₂, k₂ ≠ 1 ∧ d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
q : P
r : ℝ
h' : ∀ (p : P), p ∈ {a, b, c, d} → dist p q = r
ha : dist a q = dist b q
hb : dist b q = r
hc : dist c q = dist d q
hd : dist d q = r
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
rw [mul_dist_eq_abs_sub_sq_dist hapb ha, hb, mul_dist_eq_abs_sub_sq_dist hcpd hc, hd]
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∠ a p b = π
hcpd : ∠ c p d = π
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
obtain ⟨-, k₁, _, hab⟩ := angle_eq_pi_iff.mp hapb
[GOAL]
case intro.intro.intro
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∠ a p b = π
hcpd : ∠ c p d = π
k₁ : ℝ
left✝ : k₁ < 0
hab : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
obtain ⟨-, k₂, _, hcd⟩ := angle_eq_pi_iff.mp hcpd
[GOAL]
case intro.intro.intro.intro.intro.intro
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∠ a p b = π
hcpd : ∠ c p d = π
k₁ : ℝ
left✝¹ : k₁ < 0
hab : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
k₂ : ℝ
left✝ : k₂ < 0
hcd : d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
exact mul_dist_eq_mul_dist_of_cospherical h ⟨k₁, by linarith, hab⟩ ⟨k₂, by linarith, hcd⟩
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∠ a p b = π
hcpd : ∠ c p d = π
k₁ : ℝ
left✝¹ : k₁ < 0
hab : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
k₂ : ℝ
left✝ : k₂ < 0
hcd : d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
⊢ k₁ ≠ 1
[PROOFSTEP]
linarith
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hapb : ∠ a p b = π
hcpd : ∠ c p d = π
k₁ : ℝ
left✝¹ : k₁ < 0
hab : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
k₂ : ℝ
left✝ : k₂ < 0
hcd : d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
⊢ k₂ ≠ 1
[PROOFSTEP]
linarith
[GOAL]
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hab : a ≠ b
hcd : c ≠ d
hapb : ∠ a p b = 0
hcpd : ∠ c p d = 0
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
obtain ⟨-, k₁, -, hab₁⟩ := angle_eq_zero_iff.mp hapb
[GOAL]
case intro.intro.intro
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hab : a ≠ b
hcd : c ≠ d
hapb : ∠ a p b = 0
hcpd : ∠ c p d = 0
k₁ : ℝ
hab₁ : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
obtain ⟨-, k₂, -, hcd₁⟩ := angle_eq_zero_iff.mp hcpd
[GOAL]
case intro.intro.intro.intro.intro.intro
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hab : a ≠ b
hcd : c ≠ d
hapb : ∠ a p b = 0
hcpd : ∠ c p d = 0
k₁ : ℝ
hab₁ : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
k₂ : ℝ
hcd₁ : d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
⊢ dist a p * dist b p = dist c p * dist d p
[PROOFSTEP]
refine' mul_dist_eq_mul_dist_of_cospherical h ⟨k₁, _, hab₁⟩ ⟨k₂, _, hcd₁⟩
[GOAL]
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine'_1
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hab : a ≠ b
hcd : c ≠ d
hapb : ∠ a p b = 0
hcpd : ∠ c p d = 0
k₁ : ℝ
hab₁ : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
k₂ : ℝ
hcd₁ : d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
⊢ k₁ ≠ 1
[PROOFSTEP]
by_contra hnot
[GOAL]
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine'_2
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hab : a ≠ b
hcd : c ≠ d
hapb : ∠ a p b = 0
hcpd : ∠ c p d = 0
k₁ : ℝ
hab₁ : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
k₂ : ℝ
hcd₁ : d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
⊢ k₂ ≠ 1
[PROOFSTEP]
by_contra hnot
[GOAL]
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine'_1
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hab : a ≠ b
hcd : c ≠ d
hapb : ∠ a p b = 0
hcpd : ∠ c p d = 0
k₁ : ℝ
hab₁ : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
k₂ : ℝ
hcd₁ : d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
hnot : k₁ = 1
⊢ False
[PROOFSTEP]
simp_all only [Classical.not_not, one_smul]
[GOAL]
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine'_2
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hab : a ≠ b
hcd : c ≠ d
hapb : ∠ a p b = 0
hcpd : ∠ c p d = 0
k₁ : ℝ
hab₁ : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
k₂ : ℝ
hcd₁ : d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
hnot : k₂ = 1
⊢ False
[PROOFSTEP]
simp_all only [Classical.not_not, one_smul]
[GOAL]
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine'_1
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hab : a ≠ b
hcd : c ≠ d
hapb : ∠ a p b = 0
hcpd : ∠ c p d = 0
k₁ k₂ : ℝ
hab₁ : b -ᵥ p = a -ᵥ p
hcd₁ : d -ᵥ p = k₂ • (c -ᵥ p)
hnot : k₁ = 1
⊢ False
case intro.intro.intro.intro.intro.intro.refine'_2
V : Type u_1
inst✝³ : NormedAddCommGroup V
inst✝² : InnerProductSpace ℝ V
P : Type u_2
inst✝¹ : MetricSpace P
inst✝ : NormedAddTorsor V P
a b c d p : P
h : Cospherical {a, b, c, d}
hab : a ≠ b
hcd : c ≠ d
hapb : ∠ a p b = 0
hcpd : ∠ c p d = 0
k₁ : ℝ
hab₁ : b -ᵥ p = k₁ • (a -ᵥ p)
k₂ : ℝ
hcd₁ : d -ᵥ p = c -ᵥ p
hnot : k₂ = 1
⊢ False
[PROOFSTEP]
exacts [hab (vsub_left_cancel hab₁).symm, hcd (vsub_left_cancel hcd₁).symm]
