Metamath Proof Explorer


Theorem fourier

Description: Fourier series convergence for periodic, piecewise smooth functions. The series converges to the average value of the left and the right limit of the function. Thus, if the function is continuous at a given point, the series converges exactly to the function value, see fouriercnp . Notice that for a piecewise smooth function, the left and right limits always exist, see fourier2 for an alternative form of the theorem that makes this fact explicit. When the first derivative is continuous, a simpler version of the theorem can be stated, see fouriercn . (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019)

Ref Expression
Hypotheses fourier.f โŠข ๐น : โ„ โŸถ โ„
fourier.t โŠข ๐‘‡ = ( 2 ยท ฯ€ )
fourier.per โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„ โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘ฅ + ๐‘‡ ) ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) )
fourier.g โŠข ๐บ = ( ( โ„ D ๐น ) โ†พ ( - ฯ€ (,) ฯ€ ) )
fourier.dmdv โŠข ( ( - ฯ€ (,) ฯ€ ) โˆ– dom ๐บ ) โˆˆ Fin
fourier.dvcn โŠข ๐บ โˆˆ ( dom ๐บ โ€“cnโ†’ โ„‚ )
fourier.rlim โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ( - ฯ€ [,) ฯ€ ) โˆ– dom ๐บ ) โ†’ ( ( ๐บ โ†พ ( ๐‘ฅ (,) +โˆž ) ) limโ„‚ ๐‘ฅ ) โ‰  โˆ… )
fourier.llim โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ( - ฯ€ (,] ฯ€ ) โˆ– dom ๐บ ) โ†’ ( ( ๐บ โ†พ ( -โˆž (,) ๐‘ฅ ) ) limโ„‚ ๐‘ฅ ) โ‰  โˆ… )
fourier.x โŠข ๐‘‹ โˆˆ โ„
fourier.l โŠข ๐ฟ โˆˆ ( ( ๐น โ†พ ( -โˆž (,) ๐‘‹ ) ) limโ„‚ ๐‘‹ )
fourier.r โŠข ๐‘… โˆˆ ( ( ๐น โ†พ ( ๐‘‹ (,) +โˆž ) ) limโ„‚ ๐‘‹ )
fourier.a โŠข ๐ด = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( โˆซ ( - ฯ€ (,) ฯ€ ) ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( cos โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘ฅ ) ) ) d ๐‘ฅ / ฯ€ ) )
fourier.b โŠข ๐ต = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( โˆซ ( - ฯ€ (,) ฯ€ ) ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( sin โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘ฅ ) ) ) d ๐‘ฅ / ฯ€ ) )
Assertion fourier ( ( ( ๐ด โ€˜ 0 ) / 2 ) + ฮฃ ๐‘› โˆˆ โ„• ( ( ( ๐ด โ€˜ ๐‘› ) ยท ( cos โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) + ( ( ๐ต โ€˜ ๐‘› ) ยท ( sin โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) ) ) = ( ( ๐ฟ + ๐‘… ) / 2 )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fourier.f โŠข ๐น : โ„ โŸถ โ„
2 fourier.t โŠข ๐‘‡ = ( 2 ยท ฯ€ )
3 fourier.per โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ โ„ โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘ฅ + ๐‘‡ ) ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) )
4 fourier.g โŠข ๐บ = ( ( โ„ D ๐น ) โ†พ ( - ฯ€ (,) ฯ€ ) )
5 fourier.dmdv โŠข ( ( - ฯ€ (,) ฯ€ ) โˆ– dom ๐บ ) โˆˆ Fin
6 fourier.dvcn โŠข ๐บ โˆˆ ( dom ๐บ โ€“cnโ†’ โ„‚ )
7 fourier.rlim โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ( - ฯ€ [,) ฯ€ ) โˆ– dom ๐บ ) โ†’ ( ( ๐บ โ†พ ( ๐‘ฅ (,) +โˆž ) ) limโ„‚ ๐‘ฅ ) โ‰  โˆ… )
8 fourier.llim โŠข ( ๐‘ฅ โˆˆ ( ( - ฯ€ (,] ฯ€ ) โˆ– dom ๐บ ) โ†’ ( ( ๐บ โ†พ ( -โˆž (,) ๐‘ฅ ) ) limโ„‚ ๐‘ฅ ) โ‰  โˆ… )
9 fourier.x โŠข ๐‘‹ โˆˆ โ„
10 fourier.l โŠข ๐ฟ โˆˆ ( ( ๐น โ†พ ( -โˆž (,) ๐‘‹ ) ) limโ„‚ ๐‘‹ )
11 fourier.r โŠข ๐‘… โˆˆ ( ( ๐น โ†พ ( ๐‘‹ (,) +โˆž ) ) limโ„‚ ๐‘‹ )
12 fourier.a โŠข ๐ด = ( ๐‘› โˆˆ โ„•0 โ†ฆ ( โˆซ ( - ฯ€ (,) ฯ€ ) ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( cos โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘ฅ ) ) ) d ๐‘ฅ / ฯ€ ) )
13 fourier.b โŠข ๐ต = ( ๐‘› โˆˆ โ„• โ†ฆ ( โˆซ ( - ฯ€ (,) ฯ€ ) ( ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) ยท ( sin โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘ฅ ) ) ) d ๐‘ฅ / ฯ€ ) )
14 1 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ๐น : โ„ โŸถ โ„ )
15 3 adantl โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ) โ†’ ( ๐น โ€˜ ( ๐‘ฅ + ๐‘‡ ) ) = ( ๐น โ€˜ ๐‘ฅ ) )
16 5 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ( ( - ฯ€ (,) ฯ€ ) โˆ– dom ๐บ ) โˆˆ Fin )
17 6 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ๐บ โˆˆ ( dom ๐บ โ€“cnโ†’ โ„‚ ) )
18 7 adantl โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ( - ฯ€ [,) ฯ€ ) โˆ– dom ๐บ ) ) โ†’ ( ( ๐บ โ†พ ( ๐‘ฅ (,) +โˆž ) ) limโ„‚ ๐‘ฅ ) โ‰  โˆ… )
19 8 adantl โŠข ( ( โŠค โˆง ๐‘ฅ โˆˆ ( ( - ฯ€ (,] ฯ€ ) โˆ– dom ๐บ ) ) โ†’ ( ( ๐บ โ†พ ( -โˆž (,) ๐‘ฅ ) ) limโ„‚ ๐‘ฅ ) โ‰  โˆ… )
20 9 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ๐‘‹ โˆˆ โ„ )
21 10 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ๐ฟ โˆˆ ( ( ๐น โ†พ ( -โˆž (,) ๐‘‹ ) ) limโ„‚ ๐‘‹ ) )
22 11 a1i โŠข ( โŠค โ†’ ๐‘… โˆˆ ( ( ๐น โ†พ ( ๐‘‹ (,) +โˆž ) ) limโ„‚ ๐‘‹ ) )
23 14 2 15 4 16 17 18 19 20 21 22 12 13 fourierd โŠข ( โŠค โ†’ ( ( ( ๐ด โ€˜ 0 ) / 2 ) + ฮฃ ๐‘› โˆˆ โ„• ( ( ( ๐ด โ€˜ ๐‘› ) ยท ( cos โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) + ( ( ๐ต โ€˜ ๐‘› ) ยท ( sin โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) ) ) = ( ( ๐ฟ + ๐‘… ) / 2 ) )
24 23 mptru โŠข ( ( ( ๐ด โ€˜ 0 ) / 2 ) + ฮฃ ๐‘› โˆˆ โ„• ( ( ( ๐ด โ€˜ ๐‘› ) ยท ( cos โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) + ( ( ๐ต โ€˜ ๐‘› ) ยท ( sin โ€˜ ( ๐‘› ยท ๐‘‹ ) ) ) ) ) = ( ( ๐ฟ + ๐‘… ) / 2 )