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Theorem fourierdlem110

Description: The integral of a piecewise continuous periodic function F is unchanged if the domain is shifted by any value X . This lemma generalizes fourierdlem92 where the integral was shifted by the exact period. (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019)

Ref Expression
Hypotheses fourierdlem110.a ⊢ φ → A ∈ ℝ
fourierdlem110.b ⊢ φ → B ∈ ℝ
fourierdlem110.t ⊢ T = B − A
fourierdlem110.x ⊢ φ → X ∈ ℝ
fourierdlem110.p ⊢ P = m ∈ ℕ ⟼ p ∈ ℝ 0 … m | p ⁡ 0 = A ∧ p ⁡ m = B ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ m p ⁡ i < p ⁡ i + 1
fourierdlem110.m ⊢ φ → M ∈ ℕ
fourierdlem110.q ⊢ φ → Q ∈ P ⁡ M
fourierdlem110.f ⊢ φ → F : ℝ ⟶ ℂ
fourierdlem110.fper ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → F ⁡ x + T = F ⁡ x
fourierdlem110.fcn ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → F ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 : Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟶cn ℂ
fourierdlem110.r ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → R ∈ F ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i
fourierdlem110.l ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → L ∈ F ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i + 1
Assertion fourierdlem110 ⊢ φ → ∫ A − X B − X F ⁡ x dx = ∫ A B F ⁡ x dx

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fourierdlem110.a ⊢ φ → A ∈ ℝ
2 fourierdlem110.b ⊢ φ → B ∈ ℝ
3 fourierdlem110.t ⊢ T = B − A
4 fourierdlem110.x ⊢ φ → X ∈ ℝ
5 fourierdlem110.p ⊢ P = m ∈ ℕ ⟼ p ∈ ℝ 0 … m | p ⁡ 0 = A ∧ p ⁡ m = B ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ m p ⁡ i < p ⁡ i + 1
6 fourierdlem110.m ⊢ φ → M ∈ ℕ
7 fourierdlem110.q ⊢ φ → Q ∈ P ⁡ M
8 fourierdlem110.f ⊢ φ → F : ℝ ⟶ ℂ
9 fourierdlem110.fper ⊢ φ ∧ x ∈ ℝ → F ⁡ x + T = F ⁡ x
10 fourierdlem110.fcn ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → F ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 : Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟶cn ℂ
11 fourierdlem110.r ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → R ∈ F ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i
12 fourierdlem110.l ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → L ∈ F ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i + 1
13 eqid ⊢ m ∈ ℕ ⟼ p ∈ ℝ 0 … m | p ⁡ 0 = A − X ∧ p ⁡ m = B − X ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ m p ⁡ i < p ⁡ i + 1 = m ∈ ℕ ⟼ p ∈ ℝ 0 … m | p ⁡ 0 = A − X ∧ p ⁡ m = B − X ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ m p ⁡ i < p ⁡ i + 1
14 oveq1 ⊢ y = x → y + k ⁢ T = x + k ⁢ T
15 14 eleq1d ⊢ y = x → y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q ↔ x + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
16 15 rexbidv ⊢ y = x → ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q ↔ ∃ k ∈ ℤ x + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
17 16 cbvrabv ⊢ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q = x ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ x + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
18 17 uneq2i ⊢ A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q = A − X B − X ∪ x ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ x + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
19 oveq1 ⊢ l = k → l ⁢ T = k ⁢ T
20 19 oveq2d ⊢ l = k → y + l ⁢ T = y + k ⁢ T
21 20 eleq1d ⊢ l = k → y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q ↔ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
22 21 cbvrexvw ⊢ ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q ↔ ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
23 22 a1i ⊢ y ∈ A − X B − X → ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q ↔ ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
24 23 rabbiia ⊢ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q = y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
25 24 uneq2i ⊢ A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q = A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
26 25 fveq2i ⊢ A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q = A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
27 26 oveq1i ⊢ A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 = A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1
28 isoeq5 ⊢ A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q = A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q → g Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q ↔ g Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
29 25 28 ax-mp ⊢ g Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q ↔ g Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
30 isoeq1 ⊢ g = f → g Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q ↔ f Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
31 29 30 bitrid ⊢ g = f → g Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q ↔ f Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
32 31 cbviotavw ⊢ ι g | g Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q = ι f | f Isom < , < 0 … A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ l ∈ ℤ y + l ⁢ T ∈ ran ⁡ Q − 1 A − X B − X ∪ y ∈ A − X B − X | ∃ k ∈ ℤ y + k ⁢ T ∈ ran ⁡ Q
33 id ⊢ y = x → y = x
34 oveq2 ⊢ y = x → B − y = B − x
35 34 oveq1d ⊢ y = x → B − y T = B − x T
36 35 fveq2d ⊢ y = x → B − y T = B − x T
37 36 oveq1d ⊢ y = x → B − y T ⁢ T = B − x T ⁢ T
38 33 37 oveq12d ⊢ y = x → y + B − y T ⁢ T = x + B − x T ⁢ T
39 38 cbvmptv ⊢ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T = x ∈ ℝ ⟼ x + B − x T ⁢ T
40 eqeq1 ⊢ y = w → y = B ↔ w = B
41 id ⊢ y = w → y = w
42 40 41 ifbieq2d ⊢ y = w → if y = B A y = if w = B A w
43 42 cbvmptv ⊢ y ∈ A B ⟼ if y = B A y = w ∈ A B ⟼ if w = B A w
44 fveq2 ⊢ z = x → y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ z = y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ x
45 44 fveq2d ⊢ z = x → y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ z = y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ x
46 45 breq2d ⊢ z = x → Q ⁡ j ≤ y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ z ↔ Q ⁡ j ≤ y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ x
47 46 rabbidv ⊢ z = x → j ∈ 0 ..^ M | Q ⁡ j ≤ y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ z = j ∈ 0 ..^ M | Q ⁡ j ≤ y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ x
48 47 supeq1d ⊢ z = x → sup j ∈ 0 ..^ M | Q ⁡ j ≤ y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ z ℝ < = sup j ∈ 0 ..^ M | Q ⁡ j ≤ y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ x ℝ <
49 48 cbvmptv ⊢ z ∈ ℝ ⟼ sup j ∈ 0 ..^ M | Q ⁡ j ≤ y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ z ℝ < = x ∈ ℝ ⟼ sup j ∈ 0 ..^ M | Q ⁡ j ≤ y ∈ A B ⟼ if y = B A y ⁡ y ∈ ℝ ⟼ y + B − y T ⁢ T ⁡ x ℝ <
50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 18 27 32 39 43 49 fourierdlem109 ⊢ φ → ∫ A − X B − X F ⁡ x dx = ∫ A B F ⁡ x dx