Theorem fouriercn 46831

Description: If the derivative of 𝐹 is continuous, then the Fourier series for 𝐹 converges to 𝐹 everywhere and the hypothesis are simpler than those for the more general case of a piecewise smooth function (see fourierd 46821 for a comparison). (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019.)

Hypotheses

Ref	Expression
fouriercn.f	⊢ (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℝ)
fouriercn.t	⊢ 𝑇 = (2 · π)
fouriercn.per	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (𝐹‘(𝑥 + 𝑇)) = (𝐹‘𝑥))
fouriercn.dv	⊢ (𝜑 → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
fouriercn.g	⊢ 𝐺 = ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
fouriercn.x	⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
fouriercn.a	⊢ 𝐴 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹‘𝑥) · (cos‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
fouriercn.b	⊢ 𝐵 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹‘𝑥) · (sin‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))

Assertion

Ref	Expression
fouriercn	⊢ (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴‘𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵‘𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (𝐹‘𝑋))

Distinct variable groups:   𝑛,𝐹,𝑥   𝑥,𝐺   𝑥,𝑇   𝑛,𝑋,𝑥   𝜑,𝑥

Allowed substitution hints:   𝜑(𝑛)   𝐴(𝑥,𝑛)   𝐵(𝑥,𝑛)   𝑇(𝑛)   𝐺(𝑛)

Proof of Theorem fouriercn

Step	Hyp	Ref	Expression
1		fouriercn.f	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℝ)
2		fouriercn.t	. 2 ⊢ 𝑇 = (2 · π)
3		fouriercn.per	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (𝐹‘(𝑥 + 𝑇)) = (𝐹‘𝑥))
4		fouriercn.g	. 2 ⊢ 𝐺 = ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
5	4	dmeqi 5892	. . . . . 6 ⊢ dom 𝐺 = dom ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
6		ioossre 13430	. . . . . . . 8 ⊢ (-π(,)π) ⊆ ℝ
7		fouriercn.dv	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
8		cncff 25017	. . . . . . . . 9 ⊢ ((ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ) → (ℝ D 𝐹):ℝ⟶ℂ)
9		fdm 6713	. . . . . . . . 9 ⊢ ((ℝ D 𝐹):ℝ⟶ℂ → dom (ℝ D 𝐹) = ℝ)
10	7, 8, 9	3syl 19	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → dom (ℝ D 𝐹) = ℝ)
11	6, 10	sseqtrrid 3988	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (-π(,)π) ⊆ dom (ℝ D 𝐹))
12		ssdmres 6010	. . . . . . 7 ⊢ ((-π(,)π) ⊆ dom (ℝ D 𝐹) ↔ dom ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) = (-π(,)π))
13	11, 12	sylib 221	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → dom ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) = (-π(,)π))
14	5, 13	eqtrid 2816	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → dom 𝐺 = (-π(,)π))
15	14	difeq2d 4089	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ((-π(,)π) ∖ (-π(,)π)))
16		difid 4338	. . . 4 ⊢ ((-π(,)π) ∖ (-π(,)π)) = ∅
17	15, 16	eqtrdi 2820	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ∅)
18		0fi 9035	. . 3 ⊢ ∅ ∈ Fin
19	17, 18	eqeltrdi 2877	. 2 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
20		rescncf 25021	. . . 4 ⊢ ((-π(,)π) ⊆ ℝ → ((ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ) → ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ∈ ((-π(,)π)–cn→ℂ)))
21	6, 7, 20	mpsyl 69	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ∈ ((-π(,)π)–cn→ℂ))
22	4	a1i 11	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐺 = ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)))
23	14	oveq1d 7423	. . 3 ⊢ (𝜑 → (dom 𝐺–cn→ℂ) = ((-π(,)π)–cn→ℂ))
24	21, 22, 23	3eltr4d 2884	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ (dom 𝐺–cn→ℂ))
25		pire 26581	. . . . . 6 ⊢ π ∈ ℝ
26	25	renegcli 11515	. . . . 5 ⊢ -π ∈ ℝ
27	25	rexri 11263	. . . . 5 ⊢ π ∈ ℝ*
28		icossre 13451	. . . . 5 ⊢ ((-π ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ*) → (-π[,)π) ⊆ ℝ)
29	26, 27, 28	mp2an 704	. . . 4 ⊢ (-π[,)π) ⊆ ℝ
30		eldifi 4093	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ (-π[,)π))
31	29, 30	sselid 3943	. . 3 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
32		limcresi 26009	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥)
33	4	reseq1i 5972	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞))
34		resres 5989	. . . . . . . 8 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞)))
35	33, 34	eqtr2i 2793	. . . . . . 7 ⊢ ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) = (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞))
36	35	oveq1i 7418	. . . . . 6 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
37	32, 36	sseqtri 3993	. . . . 5 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
38	7	adantr 485	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
39		simpr 489	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → 𝑥 ∈ ℝ)
40	38, 39	cnlimci 26013	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥))
41	37, 40	sselid 3943	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥))
42	41	ne0d 4303	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
43	31, 42	sylan2 604	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
44		negpitopissre 26667	. . . 4 ⊢ (-π(,]π) ⊆ ℝ
45		eldifi 4093	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ (-π(,]π))
46	44, 45	sselid 3943	. . 3 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
47		limcresi 26009	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥)
48	4	reseq1i 5972	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥))
49		resres 5989	. . . . . . . 8 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥)))
50	48, 49	eqtr2i 2793	. . . . . . 7 ⊢ ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) = (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥))
51	50	oveq1i 7418	. . . . . 6 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
52	47, 51	sseqtri 3993	. . . . 5 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
53	52, 40	sselid 3943	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥))
54	53	ne0d 4303	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
55	46, 54	sylan2 604	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
56		eqid 2769	. 2 ⊢ (topGen‘ran (,)) = (topGen‘ran (,))
57		ax-resscn 11153	. . . . . . 7 ⊢ ℝ ⊆ ℂ
58	57	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
59	1, 58	fssd 6721	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℂ)
60		ssid 3967	. . . . . . . 8 ⊢ ℝ ⊆ ℝ
61	60	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℝ)
62		dvcn 26045	. . . . . . 7 ⊢ (((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ ℝ ⊆ ℝ) ∧ dom (ℝ D 𝐹) = ℝ) → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
63	58, 59, 61, 10, 62	syl31anc 1398	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
64		cncfcdm 25022	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ)) → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
65	58, 63, 64	syl2anc 595	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
66	1, 65	mpbird 260	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ))
67		eqid 2769	. . . . . 6 ⊢ (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
68		tgioo4 24927	. . . . . 6 ⊢ (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
69	67, 68, 68	cncfcn 25034	. . . . 5 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ ℝ ⊆ ℂ) → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
70	58, 58, 69	syl2anc 595	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
71	66, 70	eleqtrd 2871	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
72		fouriercn.x	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
73		uniretop 24884	. . . 4 ⊢ ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
74	73	cncnpi 23400	. . 3 ⊢ ((𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))) ∧ 𝑋 ∈ ℝ) → 𝐹 ∈ (((topGen‘ran (,)) CnP (topGen‘ran (,)))‘𝑋))
75	71, 72, 74	syl2anc 595	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (((topGen‘ran (,)) CnP (topGen‘ran (,)))‘𝑋))
76		fouriercn.a	. 2 ⊢ 𝐴 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹‘𝑥) · (cos‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
77		fouriercn.b	. 2 ⊢ 𝐵 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹‘𝑥) · (sin‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
78	1, 2, 3, 4, 19, 24, 43, 55, 56, 75, 76, 77	fouriercnp 46825	1 ⊢ (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴‘𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵‘𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (𝐹‘𝑋))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 400   = wceq 1567   ∈ wcel 2149   ≠ wne 2964   ∖ cdif 3910   ∩ cin 3912   ⊆ wss 3913  ∅c0 4294   ↦ cmpt 5193  dom cdm 5659  ran crn 5660   ↾ cres 5661  ⟶wf 6529  ‘cfv 6533  (class class class)co 7408  Fincfn 8939  ℂcc 11094  ℝcr 11095  0cc0 11096   + caddc 11099   · cmul 11101  +∞cpnf 11236  -∞cmnf 11237  ℝ^*cxr 11238  -cneg 11438   / cdiv 11867  ℕcn 12229  2c2 12291  ℕ₀cn0 12500  (,)cioo 13368  (,]cioc 13369  [,)cico 13370  Σcsu 15733  sincsin 16113  cosccos 16114  πcpi 16116  TopOpenctopn 17470  topGenctg 17486  ℂ_fldccnfld 21487   Cn ccn 23346   CnP ccnp 23347  –cn→ccncf 25000  ∫citg 25742   lim_ℂ climc 25986   D cdv 25987

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1822  ax-4 1836  ax-5 1937  ax-6 1994  ax-7 2035  ax-8 2151  ax-9 2159  ax-10 2182  ax-11 2198  ax-12 2219  ax-ext 2741  ax-rep 5239  ax-sep 5258  ax-nul 5268  ax-pow 5334  ax-pr 5402  ax-un 7730  ax-inf2 9606  ax-cc 10415  ax-cnex 11152  ax-resscn 11153  ax-1cn 11154  ax-icn 11155  ax-addcl 11156  ax-addrcl 11157  ax-mulcl 11158  ax-mulrcl 11159  ax-mulcom 11160  ax-addass 11161  ax-mulass 11162  ax-distr 11163  ax-i2m1 11164  ax-1ne0 11165  ax-1rid 11166  ax-rnegex 11167  ax-rrecex 11168  ax-cnre 11169  ax-pre-lttri 11170  ax-pre-lttrn 11171  ax-pre-ltadd 11172  ax-pre-mulgt0 11173  ax-pre-sup 11174  ax-addf 11175

This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 401  df-or 861  df-3or 1102  df-3an 1103  df-tru 1570  df-fal 1580  df-ex 1807  df-nf 1811  df-sb 2098  df-mo 2573  df-eu 2603  df-clab 2748  df-cleq 2761  df-clel 2844  df-nfc 2918  df-ne 2965  df-nel 3071  df-ral 3086  df-rex 3096  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3424  df-v 3465  df-sbc 3754  df-csb 3862  df-dif 3916  df-un 3918  df-in 3920  df-ss 3930  df-pss 3933  df-symdif 4214  df-nul 4295  df-if 4490  df-pw 4566  df-sn 4592  df-pr 4594  df-tp 4596  df-op 4598  df-uni 4874  df-int 4914  df-iun 4959  df-iin 4960  df-disj 5078  df-br 5111  df-opab 5175  df-mpt 5194  df-tr 5220  df-id 5554  df-eprel 5559  df-po 5567  df-so 5568  df-fr 5612  df-se 5613  df-we 5614  df-xp 5665  df-rel 5666  df-cnv 5667  df-co 5668  df-dm 5669  df-rn 5670  df-res 5671  df-ima 5672  df-pred 6299  df-ord 6360  df-on 6361  df-lim 6362  df-suc 6363  df-iota 6489  df-fun 6535  df-fn 6536  df-f 6537  df-f1 6538  df-fo 6539  df-f1o 6540  df-fv 6541  df-isom 6542  df-riota 7365  df-ov 7411  df-oprab 7412  df-mpo 7413  df-of 7672  df-ofr 7673  df-om 7859  df-1st 7982  df-2nd 7983  df-supp 8153  df-frecs 8274  df-wrecs 8305  df-recs 8354  df-rdg 8393  df-1o 8449  df-2o 8450  df-oadd 8453  df-omul 8454  df-er 8690  df-map 8822  df-pm 8823  df-ixp 8892  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-fsupp 9318  df-fi 9367  df-sup 9398  df-inf 9399  df-oi 9468  df-dju 9883  df-card 9921  df-acn 9924  df-pnf 11241  df-mnf 11242  df-xr 11243  df-ltxr 11244  df-le 11245  df-sub 11439  df-neg 11440  df-div 11868  df-nn 12230  df-2 12299  df-3 12300  df-4 12301  df-5 12302  df-6 12303  df-7 12304  df-8 12305  df-9 12306  df-n0 12501  df-xnn0 12574  df-z 12588  df-dec 12708  df-uz 12859  df-q 12969  df-rp 13013  df-xneg 13133  df-xadd 13134  df-xmul 13135  df-ioo 13372  df-ioc 13373  df-ico 13374  df-icc 13375  df-fz 13532  df-fzo 13679  df-fl 13821  df-mod 13899  df-seq 14034  df-exp 14094  df-fac 14306  df-bc 14335  df-hash 14363  df-shft 15100  df-cj 15146  df-re 15147  df-im 15148  df-sqrt 15282  df-abs 15283  df-limsup 15518  df-clim 15535  df-rlim 15536  df-sum 15734  df-ef 16117  df-sin 16119  df-cos 16120  df-pi 16122  df-struct 17203  df-sets 17220  df-slot 17238  df-ndx 17250  df-base 17266  df-ress 17287  df-plusg 17319  df-mulr 17320  df-starv 17321  df-sca 17322  df-vsca 17323  df-ip 17324  df-tset 17325  df-ple 17326  df-ds 17328  df-unif 17329  df-hom 17330  df-cco 17331  df-rest 17471  df-topn 17472  df-0g 17490  df-gsum 17491  df-topgen 17492  df-pt 17493  df-prds 17496  df-xrs 17552  df-qtop 17557  df-imas 17558  df-xps 17560  df-mre 17634  df-mrc 17635  df-acs 17637  df-mgm 18694  df-sgrp 18773  df-mnd 18789  df-submnd 18838  df-mulg 19130  df-cntz 19383  df-cmn 19848  df-psmet 21479  df-xmet 21480  df-met 21481  df-bl 21482  df-mopn 21483  df-fbas 21484  df-fg 21485  df-cnfld 21488  df-top 23016  df-topon 23033  df-topsp 23055  df-bases 23068  df-cld 23141  df-ntr 23142  df-cls 23143  df-nei 23220  df-lp 23258  df-perf 23259  df-cn 23349  df-cnp 23350  df-t1 23436  df-haus 23437  df-cmp 23509  df-tx 23684  df-hmeo 23877  df-fil 23968  df-fm 24060  df-flim 24061  df-flf 24062  df-xms 24442  df-ms 24443  df-tms 24444  df-cncf 25002  df-ovol 25588  df-vol 25589  df-mbf 25743  df-itg1 25744  df-itg2 25745  df-ibl 25746  df-itg 25747  df-0p 25794  df-ditg 25971  df-limc 25990  df-dv 25991

This theorem is referenced by: (None)