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Theorem fourierswlem

Description: The Fourier series for the square wave F converges to Y , a simpler expression for this special case. (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019)

Ref Expression
Hypotheses fourierswlem.t T=2π
fourierswlem.f F=xifxmodT<π11
fourierswlem.x X
fourierswlem.y Y=ifXmodπ=00FX
Assertion fourierswlem Y=ifXmodT0π11+FX2

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fourierswlem.t T=2π
2 fourierswlem.f F=xifxmodT<π11
3 fourierswlem.x X
4 fourierswlem.y Y=ifXmodπ=00FX
5 simpr Xmodπ=02Xπ2Xπ
6 2z 2
7 6 a1i Xmodπ=02Xπ2
8 pirp π+
9 mod0 Xπ+Xmodπ=0Xπ
10 3 8 9 mp2an Xmodπ=0Xπ
11 10 biimpi Xmodπ=0Xπ
12 11 adantr Xmodπ=02XπXπ
13 divides 2Xπ2Xπkk2=Xπ
14 7 12 13 syl2anc Xmodπ=02Xπ2Xπkk2=Xπ
15 5 14 mpbid Xmodπ=02Xπkk2=Xπ
16 2cnd k2
17 picn π
18 17 a1i kπ
19 zcn kk
20 16 18 19 mulassd k2πk=2πk
21 18 19 mulcld kπk
22 16 21 mulcomd k2πk=πk2
23 20 22 eqtrd k2πk=πk2
24 23 adantr kk2=Xπ2πk=πk2
25 18 19 16 mulassd kπk2=πk2
26 25 adantr kk2=Xππk2=πk2
27 id k2=Xπk2=Xπ
28 27 eqcomd k2=XπXπ=k2
29 28 adantl kk2=XπXπ=k2
30 3 recni X
31 30 a1i kk2=XπX
32 17 a1i kk2=Xππ
33 19 adantr kk2=Xπk
34 2cnd kk2=Xπ2
35 33 34 mulcld kk2=Xπk2
36 pire π
37 pipos 0<π
38 36 37 gt0ne0ii π0
39 38 a1i kk2=Xππ0
40 31 32 35 39 divmuld kk2=XπXπ=k2πk2=X
41 29 40 mpbid kk2=Xππk2=X
42 24 26 41 3eqtrrd kk2=XπX=2πk
43 1 a1i kk2=XπT=2π
44 42 43 oveq12d kk2=XπXT=2πk2π
45 16 18 mulcld k2π
46 2ne0 20
47 46 a1i k20
48 38 a1i kπ0
49 16 18 47 48 mulne0d k2π0
50 19 45 49 divcan3d k2πk2π=k
51 50 adantr kk2=Xπ2πk2π=k
52 44 51 eqtrd kk2=XπXT=k
53 simpl kk2=Xπk
54 52 53 eqeltrd kk2=XπXT
55 54 ex kk2=XπXT
56 55 a1i Xmodπ=02Xπkk2=XπXT
57 56 rexlimdv Xmodπ=02Xπkk2=XπXT
58 15 57 mpd Xmodπ=02XπXT
59 2re 2
60 59 36 remulcli 2π
61 1 60 eqeltri T
62 2pos 0<2
63 59 36 62 37 mulgt0ii 0<2π
64 63 1 breqtrri 0<T
65 61 64 elrpii T+
66 mod0 XT+XmodT=0XT
67 3 65 66 mp2an XmodT=0XT
68 58 67 sylibr Xmodπ=02XπXmodT=0
69 68 orcd Xmodπ=02XπXmodT=0XmodT=π
70 odd2np1 Xπ¬2Xπk2k+1=Xπ
71 10 70 sylbi Xmodπ=0¬2Xπk2k+1=Xπ
72 71 biimpa Xmodπ=0¬2Xπk2k+1=Xπ
73 16 19 mulcld k2k
74 73 adantr k2k+1=Xπ2k
75 1cnd k2k+1=Xπ1
76 17 a1i k2k+1=Xππ
77 74 75 76 adddird k2k+1=Xπ2k+1π=2kπ+1π
78 16 19 mulcomd k2k=k2
79 78 oveq1d k2kπ=k2π
80 19 16 18 mulassd kk2π=k2π
81 1 eqcomi 2π=T
82 81 a1i k2π=T
83 82 oveq2d kk2π=kT
84 79 80 83 3eqtrd k2kπ=kT
85 17 mullidi 1π=π
86 85 a1i k1π=π
87 84 86 oveq12d k2kπ+1π=kT+π
88 87 adantr k2k+1=Xπ2kπ+1π=kT+π
89 1 45 eqeltrid kT
90 19 89 mulcld kkT
91 90 18 addcomd kkT+π=π+kT
92 91 adantr k2k+1=XπkT+π=π+kT
93 77 88 92 3eqtrrd k2k+1=Xππ+kT=2k+1π
94 peano2cn 2k2k+1
95 73 94 syl k2k+1
96 95 18 mulcomd k2k+1π=π2k+1
97 96 adantr k2k+1=Xπ2k+1π=π2k+1
98 id 2k+1=Xπ2k+1=Xπ
99 98 eqcomd 2k+1=XπXπ=2k+1
100 99 adantl k2k+1=XπXπ=2k+1
101 30 a1i k2k+1=XπX
102 95 adantr k2k+1=Xπ2k+1
103 38 a1i k2k+1=Xππ0
104 101 76 102 103 divmuld k2k+1=XπXπ=2k+1π2k+1=X
105 100 104 mpbid k2k+1=Xππ2k+1=X
106 93 97 105 3eqtrrd k2k+1=XπX=π+kT
107 106 oveq1d k2k+1=XπXmodT=π+kTmodT
108 modcyc πT+kπ+kTmodT=πmodT
109 36 65 108 mp3an12 kπ+kTmodT=πmodT
110 109 adantr k2k+1=Xππ+kTmodT=πmodT
111 36 a1i k2k+1=Xππ
112 65 a1i k2k+1=XπT+
113 0re 0
114 113 36 37 ltleii 0π
115 114 a1i k2k+1=Xπ0π
116 2timesgt π+π<2π
117 8 116 ax-mp π<2π
118 117 1 breqtrri π<T
119 118 a1i k2k+1=Xππ<T
120 modid πT+0ππ<TπmodT=π
121 111 112 115 119 120 syl22anc k2k+1=XππmodT=π
122 107 110 121 3eqtrd k2k+1=XπXmodT=π
123 122 ex k2k+1=XπXmodT=π
124 123 a1i Xmodπ=0¬2Xπk2k+1=XπXmodT=π
125 124 rexlimdv Xmodπ=0¬2Xπk2k+1=XπXmodT=π
126 72 125 mpd Xmodπ=0¬2XπXmodT=π
127 126 olcd Xmodπ=0¬2XπXmodT=0XmodT=π
128 69 127 pm2.61dan Xmodπ=0XmodT=0XmodT=π
129 0xr 0*
130 36 rexri π*
131 iocgtlb 0*π*XmodT0π0<XmodT
132 129 130 131 mp3an12 XmodT0π0<XmodT
133 132 gt0ne0d XmodT0πXmodT0
134 133 neneqd XmodT0π¬XmodT=0
135 pm2.53 XmodT=0XmodT=π¬XmodT=0XmodT=π
136 135 imp XmodT=0XmodT=π¬XmodT=0XmodT=π
137 128 134 136 syl2anr XmodT0πXmodπ=0XmodT=π
138 129 a1i XmodT=π0*
139 130 a1i XmodT=ππ*
140 modcl XT+XmodT
141 3 65 140 mp2an XmodT
142 141 rexri XmodT*
143 142 a1i XmodT=πXmodT*
144 id XmodT=πXmodT=π
145 37 144 breqtrrid XmodT=π0<XmodT
146 36 eqlei2 XmodT=πXmodTπ
147 138 139 143 145 146 eliocd XmodT=πXmodT0π
148 147 iftrued XmodT=πifXmodT0π11=1
149 148 adantl Xmodπ=0XmodT=πifXmodT0π11=1
150 oveq1 x=XxmodT=XmodT
151 150 breq1d x=XxmodT<πXmodT<π
152 151 ifbid x=XifxmodT<π11=ifXmodT<π11
153 1ex 1V
154 negex 1V
155 153 154 ifex ifXmodT<π11V
156 152 2 155 fvmpt XFX=ifXmodT<π11
157 3 156 ax-mp FX=ifXmodT<π11
158 141 a1i XmodT<πXmodT
159 id XmodT<πXmodT<π
160 158 159 ltned XmodT<πXmodTπ
161 160 necon2bi XmodT=π¬XmodT<π
162 161 iffalsed XmodT=πifXmodT<π11=1
163 157 162 eqtrid XmodT=πFX=1
164 163 adantl Xmodπ=0XmodT=πFX=1
165 149 164 oveq12d Xmodπ=0XmodT=πifXmodT0π11+FX=1+-1
166 1pneg1e0 1+-1=0
167 165 166 eqtrdi Xmodπ=0XmodT=πifXmodT0π11+FX=0
168 167 oveq1d Xmodπ=0XmodT=πifXmodT0π11+FX2=02
169 168 adantll XmodT0πXmodπ=0XmodT=πifXmodT0π11+FX2=02
170 2cn 2
171 170 46 div0i 02=0
172 171 a1i XmodT0πXmodπ=0XmodT=π02=0
173 iftrue Xmodπ=0ifXmodπ=00FX=0
174 4 173 eqtr2id Xmodπ=00=Y
175 174 ad2antlr XmodT0πXmodπ=0XmodT=π0=Y
176 169 172 175 3eqtrrd XmodT0πXmodπ=0XmodT=πY=ifXmodT0π11+FX2
177 137 176 mpdan XmodT0πXmodπ=0Y=ifXmodT0π11+FX2
178 iftrue XmodT0πifXmodT0π11=1
179 178 adantr XmodT0π¬Xmodπ=0ifXmodT0π11=1
180 141 a1i XmodT0π¬Xmodπ=0XmodT
181 36 a1i XmodT0π¬Xmodπ=0π
182 iocleub 0*π*XmodT0πXmodTπ
183 129 130 182 mp3an12 XmodT0πXmodTπ
184 183 adantr XmodT0π¬Xmodπ=0XmodTπ
185 ax-1cn 1
186 185 17 mulcomi 1π=π1
187 85 186 eqtr3i π=π1
188 187 oveq1i π+π2XT=π1+π2XT
189 170 17 mulcomi 2π=π2
190 1 189 eqtri T=π2
191 190 oveq1i TXT=π2XT
192 113 64 gtneii T0
193 3 61 192 redivcli XT
194 flcl XTXT
195 193 194 ax-mp XT
196 zcn XTXT
197 195 196 ax-mp XT
198 17 170 197 mulassi π2XT=π2XT
199 191 198 eqtri TXT=π2XT
200 199 oveq2i π+TXT=π+π2XT
201 170 197 mulcli 2XT
202 17 185 201 adddii π1+2XT=π1+π2XT
203 188 200 202 3eqtr4ri π1+2XT=π+TXT
204 203 a1i π=XmodTπ1+2XT=π+TXT
205 id π=XmodTπ=XmodT
206 modval XT+XmodT=XTXT
207 3 65 206 mp2an XmodT=XTXT
208 205 207 eqtrdi π=XmodTπ=XTXT
209 208 oveq1d π=XmodTπ+TXT=X-TXT+TXT
210 30 a1i π=XmodTX
211 61 recni T
212 211 197 mulcli TXT
213 212 a1i π=XmodTTXT
214 210 213 npcand π=XmodTX-TXT+TXT=X
215 204 209 214 3eqtrrd π=XmodTX=π1+2XT
216 215 oveq1d π=XmodTXπ=π1+2XTπ
217 185 201 addcli 1+2XT
218 217 17 38 divcan3i π1+2XTπ=1+2XT
219 216 218 eqtrdi π=XmodTXπ=1+2XT
220 1z 1
221 zmulcl 2XT2XT
222 6 195 221 mp2an 2XT
223 zaddcl 12XT1+2XT
224 220 222 223 mp2an 1+2XT
225 224 a1i π=XmodT1+2XT
226 219 225 eqeltrd π=XmodTXπ
227 226 10 sylibr π=XmodTXmodπ=0
228 227 necon3bi ¬Xmodπ=0πXmodT
229 228 adantl XmodT0π¬Xmodπ=0πXmodT
230 180 181 184 229 leneltd XmodT0π¬Xmodπ=0XmodT<π
231 iftrue XmodT<πifXmodT<π11=1
232 157 231 eqtrid XmodT<πFX=1
233 230 232 syl XmodT0π¬Xmodπ=0FX=1
234 179 233 oveq12d XmodT0π¬Xmodπ=0ifXmodT0π11+FX=1+1
235 234 oveq1d XmodT0π¬Xmodπ=0ifXmodT0π11+FX2=1+12
236 1p1e2 1+1=2
237 236 oveq1i 1+12=22
238 2div2e1 22=1
239 237 238 eqtr2i 1=1+12
240 233 239 eqtr2di XmodT0π¬Xmodπ=01+12=FX
241 iffalse ¬Xmodπ=0ifXmodπ=00FX=FX
242 4 241 eqtr2id ¬Xmodπ=0FX=Y
243 242 adantl XmodT0π¬Xmodπ=0FX=Y
244 235 240 243 3eqtrrd XmodT0π¬Xmodπ=0Y=ifXmodT0π11+FX2
245 177 244 pm2.61dan XmodT0πY=ifXmodT0π11+FX2
246 133 necon2bi XmodT=0¬XmodT0π
247 246 iffalsed XmodT=0ifXmodT0π11=1
248 id XmodT=0XmodT=0
249 248 37 eqbrtrdi XmodT=0XmodT<π
250 249 iftrued XmodT=0ifXmodT<π11=1
251 157 250 eqtrid XmodT=0FX=1
252 247 251 oveq12d XmodT=0ifXmodT0π11+FX=-1+1
253 252 oveq1d XmodT=0ifXmodT0π11+FX2=-1+12
254 neg1cn 1
255 185 254 166 addcomli -1+1=0
256 255 oveq1i -1+12=02
257 256 171 eqtri -1+12=0
258 257 a1i XmodT=0-1+12=0
259 1 oveq2i XT=X2π
260 2cnne0 220
261 17 38 pm3.2i ππ0
262 divdiv1 X220ππ0X2π=X2π
263 30 260 261 262 mp3an X2π=X2π
264 30 170 17 46 38 divdiv32i X2π=Xπ2
265 259 263 264 3eqtr2i XT=Xπ2
266 265 oveq2i 2XT=2Xπ2
267 30 17 38 divcli Xπ
268 267 170 46 divcan2i 2Xπ2=Xπ
269 266 268 eqtr2i Xπ=2XT
270 6 a1i XT2
271 id XTXT
272 270 271 zmulcld XT2XT
273 269 272 eqeltrid XTXπ
274 67 273 sylbi XmodT=0Xπ
275 274 10 sylibr XmodT=0Xmodπ=0
276 275 iftrued XmodT=0ifXmodπ=00FX=0
277 4 276 eqtr2id XmodT=00=Y
278 253 258 277 3eqtrrd XmodT=0Y=ifXmodT0π11+FX2
279 278 adantl ¬XmodT0πXmodT=0Y=ifXmodT0π11+FX2
280 130 a1i ¬XmodT0π¬XmodT=0π*
281 61 rexri T*
282 281 a1i ¬XmodT0π¬XmodT=0T*
283 141 a1i ¬XmodT0π¬XmodT=0XmodT
284 pm4.56 ¬XmodT0π¬XmodT=0¬XmodT0πXmodT=0
285 284 biimpi ¬XmodT0π¬XmodT=0¬XmodT0πXmodT=0
286 olc XmodT=0XmodT0πXmodT=0
287 286 adantl XmodTπXmodT=0XmodT0πXmodT=0
288 129 a1i XmodTπ¬XmodT=00*
289 130 a1i XmodTπ¬XmodT=0π*
290 142 a1i XmodTπ¬XmodT=0XmodT*
291 0red ¬XmodT=00
292 141 a1i ¬XmodT=0XmodT
293 modge0 XT+0XmodT
294 3 65 293 mp2an 0XmodT
295 294 a1i ¬XmodT=00XmodT
296 neqne ¬XmodT=0XmodT0
297 291 292 295 296 leneltd ¬XmodT=00<XmodT
298 297 adantl XmodTπ¬XmodT=00<XmodT
299 simpl XmodTπ¬XmodT=0XmodTπ
300 288 289 290 298 299 eliocd XmodTπ¬XmodT=0XmodT0π
301 300 orcd XmodTπ¬XmodT=0XmodT0πXmodT=0
302 287 301 pm2.61dan XmodTπXmodT0πXmodT=0
303 285 302 nsyl ¬XmodT0π¬XmodT=0¬XmodTπ
304 36 a1i ¬XmodT0π¬XmodT=0π
305 304 283 ltnled ¬XmodT0π¬XmodT=0π<XmodT¬XmodTπ
306 303 305 mpbird ¬XmodT0π¬XmodT=0π<XmodT
307 modlt XT+XmodT<T
308 3 65 307 mp2an XmodT<T
309 308 a1i ¬XmodT0π¬XmodT=0XmodT<T
310 280 282 283 306 309 eliood ¬XmodT0π¬XmodT=0XmodTπT
311 129 a1i XmodTπT0*
312 36 a1i XmodTπTπ
313 142 a1i XmodTπTXmodT*
314 ioogtlb π*T*XmodTπTπ<XmodT
315 130 281 314 mp3an12 XmodTπTπ<XmodT
316 311 312 313 315 gtnelioc XmodTπT¬XmodT0π
317 316 iffalsed XmodTπTifXmodT0π11=1
318 141 a1i XmodTπTXmodT
319 312 318 315 ltnsymd XmodTπT¬XmodT<π
320 319 iffalsed XmodTπTifXmodT<π11=1
321 157 320 eqtrid XmodTπTFX=1
322 317 321 oveq12d XmodTπTifXmodT0π11+FX=-1+-1
323 322 oveq1d XmodTπTifXmodT0π11+FX2=-1+-12
324 df-2 2=1+1
325 324 negeqi 2=1+1
326 185 185 negdii 1+1=-1+-1
327 325 326 eqtr2i -1+-1=2
328 327 oveq1i -1+-12=22
329 divneg 222022=22
330 170 170 46 329 mp3an 22=22
331 238 negeqi 22=1
332 328 330 331 3eqtr2i -1+-12=1
333 332 a1i XmodTπT-1+-12=1
334 4 a1i XmodTπTY=ifXmodπ=00FX
335 312 318 ltnled XmodTπTπ<XmodT¬XmodTπ
336 315 335 mpbid XmodTπT¬XmodTπ
337 248 114 eqbrtrdi XmodT=0XmodTπ
338 337 adantl Xmodπ=0XmodT=0XmodTπ
339 128 orcanai Xmodπ=0¬XmodT=0XmodT=π
340 339 146 syl Xmodπ=0¬XmodT=0XmodTπ
341 338 340 pm2.61dan Xmodπ=0XmodTπ
342 336 341 nsyl XmodTπT¬Xmodπ=0
343 342 iffalsed XmodTπTifXmodπ=00FX=FX
344 334 343 321 3eqtrrd XmodTπT1=Y
345 323 333 344 3eqtrrd XmodTπTY=ifXmodT0π11+FX2
346 310 345 syl ¬XmodT0π¬XmodT=0Y=ifXmodT0π11+FX2
347 279 346 pm2.61dan ¬XmodT0πY=ifXmodT0π11+FX2
348 245 347 pm2.61i Y=ifXmodT0π11+FX2