Theorem fouriercn 44938

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 44928 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 5904	. . . . . 6 ⊢ dom 𝐺 = dom ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
6		ioossre 13384	. . . . . . . 8 ⊢ (-π(,)π) ⊆ ℝ
7		fouriercn.dv	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
8		cncff 24408	. . . . . . . . 9 ⊢ ((ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ) → (ℝ D 𝐹):ℝ⟶ℂ)
9		fdm 6726	. . . . . . . . 9 ⊢ ((ℝ D 𝐹):ℝ⟶ℂ → dom (ℝ D 𝐹) = ℝ)
10	7, 8, 9	3syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → dom (ℝ D 𝐹) = ℝ)
11	6, 10	sseqtrrid 4035	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (-π(,)π) ⊆ dom (ℝ D 𝐹))
12		ssdmres 6004	. . . . . . 7 ⊢ ((-π(,)π) ⊆ dom (ℝ D 𝐹) ↔ dom ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) = (-π(,)π))
13	11, 12	sylib 217	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → dom ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) = (-π(,)π))
14	5, 13	eqtrid 2784	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → dom 𝐺 = (-π(,)π))
15	14	difeq2d 4122	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ((-π(,)π) ∖ (-π(,)π)))
16		difid 4370	. . . 4 ⊢ ((-π(,)π) ∖ (-π(,)π)) = ∅
17	15, 16	eqtrdi 2788	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ∅)
18		0fin 9170	. . 3 ⊢ ∅ ∈ Fin
19	17, 18	eqeltrdi 2841	. 2 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
20		rescncf 24412	. . . 4 ⊢ ((-π(,)π) ⊆ ℝ → ((ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ) → ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ∈ ((-π(,)π)–cn→ℂ)))
21	6, 7, 20	mpsyl 68	. . 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 2848	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ (dom 𝐺–cn→ℂ))
25		pire 25967	. . . . . 6 ⊢ π ∈ ℝ
26	25	renegcli 11520	. . . . 5 ⊢ -π ∈ ℝ
27	25	rexri 11271	. . . . 5 ⊢ π ∈ ℝ*
28		icossre 13404	. . . . 5 ⊢ ((-π ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ*) → (-π[,)π) ⊆ ℝ)
29	26, 27, 28	mp2an 690	. . . 4 ⊢ (-π[,)π) ⊆ ℝ
30		eldifi 4126	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ (-π[,)π))
31	29, 30	sselid 3980	. . 3 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
32		limcresi 25401	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥)
33	4	reseq1i 5977	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞))
34		resres 5994	. . . . . . . 8 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞)))
35	33, 34	eqtr2i 2761	. . . . . . 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 4018	. . . . 5 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
38	7	adantr 481	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
39		simpr 485	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → 𝑥 ∈ ℝ)
40	38, 39	cnlimci 25405	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥))
41	37, 40	sselid 3980	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥))
42	41	ne0d 4335	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
43	31, 42	sylan2 593	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
44		negpitopissre 26048	. . . 4 ⊢ (-π(,]π) ⊆ ℝ
45		eldifi 4126	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ (-π(,]π))
46	44, 45	sselid 3980	. . 3 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
47		limcresi 25401	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥)
48	4	reseq1i 5977	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥))
49		resres 5994	. . . . . . . 8 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥)))
50	48, 49	eqtr2i 2761	. . . . . . 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 4018	. . . . 5 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
53	52, 40	sselid 3980	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥))
54	53	ne0d 4335	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
55	46, 54	sylan2 593	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
56		eqid 2732	. 2 ⊢ (topGen‘ran (,)) = (topGen‘ran (,))
57		ax-resscn 11166	. . . . . . 7 ⊢ ℝ ⊆ ℂ
58	57	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
59	1, 58	fssd 6735	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℂ)
60		ssid 4004	. . . . . . . 8 ⊢ ℝ ⊆ ℝ
61	60	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℝ)
62		dvcn 25437	. . . . . . 7 ⊢ (((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ ℝ ⊆ ℝ) ∧ dom (ℝ D 𝐹) = ℝ) → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
63	58, 59, 61, 10, 62	syl31anc 1373	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
64		cncfcdm 24413	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ)) → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
65	58, 63, 64	syl2anc 584	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
66	1, 65	mpbird 256	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ))
67		eqid 2732	. . . . . 6 ⊢ (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
68	67	tgioo2 24318	. . . . . 6 ⊢ (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
69	67, 68, 68	cncfcn 24425	. . . . 5 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ ℝ ⊆ ℂ) → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
70	58, 58, 69	syl2anc 584	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
71	66, 70	eleqtrd 2835	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
72		fouriercn.x	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
73		uniretop 24278	. . . 4 ⊢ ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
74	73	cncnpi 22781	. . 3 ⊢ ((𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))) ∧ 𝑋 ∈ ℝ) → 𝐹 ∈ (((topGen‘ran (,)) CnP (topGen‘ran (,)))‘𝑋))
75	71, 72, 74	syl2anc 584	. 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 44932	1 ⊢ (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴‘𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵‘𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (𝐹‘𝑋))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 205   ∧ wa 396   = wceq 1541   ∈ wcel 2106   ≠ wne 2940   ∖ cdif 3945   ∩ cin 3947   ⊆ wss 3948  ∅c0 4322   ↦ cmpt 5231  dom cdm 5676  ran crn 5677   ↾ cres 5678  ⟶wf 6539  ‘cfv 6543  (class class class)co 7408  Fincfn 8938  ℂcc 11107  ℝcr 11108  0cc0 11109   + caddc 11112   · cmul 11114  +∞cpnf 11244  -∞cmnf 11245  ℝ^*cxr 11246  -cneg 11444   / cdiv 11870  ℕcn 12211  2c2 12266  ℕ₀cn0 12471  (,)cioo 13323  (,]cioc 13324  [,)cico 13325  Σcsu 15631  sincsin 16006  cosccos 16007  πcpi 16009  TopOpenctopn 17366  topGenctg 17382  ℂ_fldccnfld 20943   Cn ccn 22727   CnP ccnp 22728  –cn→ccncf 24391  ∫citg 25134   lim_ℂ climc 25378   D cdv 25379

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2703  ax-rep 5285  ax-sep 5299  ax-nul 5306  ax-pow 5363  ax-pr 5427  ax-un 7724  ax-inf2 9635  ax-cc 10429  ax-cnex 11165  ax-resscn 11166  ax-1cn 11167  ax-icn 11168  ax-addcl 11169  ax-addrcl 11170  ax-mulcl 11171  ax-mulrcl 11172  ax-mulcom 11173  ax-addass 11174  ax-mulass 11175  ax-distr 11176  ax-i2m1 11177  ax-1ne0 11178  ax-1rid 11179  ax-rnegex 11180  ax-rrecex 11181  ax-cnre 11182  ax-pre-lttri 11183  ax-pre-lttrn 11184  ax-pre-ltadd 11185  ax-pre-mulgt0 11186  ax-pre-sup 11187  ax-addf 11188  ax-mulf 11189

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2068  df-mo 2534  df-eu 2563  df-clab 2710  df-cleq 2724  df-clel 2810  df-nfc 2885  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3062  df-rex 3071  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3433  df-v 3476  df-sbc 3778  df-csb 3894  df-dif 3951  df-un 3953  df-in 3955  df-ss 3965  df-pss 3967  df-symdif 4242  df-nul 4323  df-if 4529  df-pw 4604  df-sn 4629  df-pr 4631  df-tp 4633  df-op 4635  df-uni 4909  df-int 4951  df-iun 4999  df-iin 5000  df-disj 5114  df-br 5149  df-opab 5211  df-mpt 5232  df-tr 5266  df-id 5574  df-eprel 5580  df-po 5588  df-so 5589  df-fr 5631  df-se 5632  df-we 5633  df-xp 5682  df-rel 5683  df-cnv 5684  df-co 5685  df-dm 5686  df-rn 5687  df-res 5688  df-ima 5689  df-pred 6300  df-ord 6367  df-on 6368  df-lim 6369  df-suc 6370  df-iota 6495  df-fun 6545  df-fn 6546  df-f 6547  df-f1 6548  df-fo 6549  df-f1o 6550  df-fv 6551  df-isom 6552  df-riota 7364  df-ov 7411  df-oprab 7412  df-mpo 7413  df-of 7669  df-ofr 7670  df-om 7855  df-1st 7974  df-2nd 7975  df-supp 8146  df-frecs 8265  df-wrecs 8296  df-recs 8370  df-rdg 8409  df-1o 8465  df-2o 8466  df-oadd 8469  df-omul 8470  df-er 8702  df-map 8821  df-pm 8822  df-ixp 8891  df-en 8939  df-dom 8940  df-sdom 8941  df-fin 8942  df-fsupp 9361  df-fi 9405  df-sup 9436  df-inf 9437  df-oi 9504  df-dju 9895  df-card 9933  df-acn 9936  df-pnf 11249  df-mnf 11250  df-xr 11251  df-ltxr 11252  df-le 11253  df-sub 11445  df-neg 11446  df-div 11871  df-nn 12212  df-2 12274  df-3 12275  df-4 12276  df-5 12277  df-6 12278  df-7 12279  df-8 12280  df-9 12281  df-n0 12472  df-xnn0 12544  df-z 12558  df-dec 12677  df-uz 12822  df-q 12932  df-rp 12974  df-xneg 13091  df-xadd 13092  df-xmul 13093  df-ioo 13327  df-ioc 13328  df-ico 13329  df-icc 13330  df-fz 13484  df-fzo 13627  df-fl 13756  df-mod 13834  df-seq 13966  df-exp 14027  df-fac 14233  df-bc 14262  df-hash 14290  df-shft 15013  df-cj 15045  df-re 15046  df-im 15047  df-sqrt 15181  df-abs 15182  df-limsup 15414  df-clim 15431  df-rlim 15432  df-sum 15632  df-ef 16010  df-sin 16012  df-cos 16013  df-pi 16015  df-struct 17079  df-sets 17096  df-slot 17114  df-ndx 17126  df-base 17144  df-ress 17173  df-plusg 17209  df-mulr 17210  df-starv 17211  df-sca 17212  df-vsca 17213  df-ip 17214  df-tset 17215  df-ple 17216  df-ds 17218  df-unif 17219  df-hom 17220  df-cco 17221  df-rest 17367  df-topn 17368  df-0g 17386  df-gsum 17387  df-topgen 17388  df-pt 17389  df-prds 17392  df-xrs 17447  df-qtop 17452  df-imas 17453  df-xps 17455  df-mre 17529  df-mrc 17530  df-acs 17532  df-mgm 18560  df-sgrp 18609  df-mnd 18625  df-submnd 18671  df-mulg 18950  df-cntz 19180  df-cmn 19649  df-psmet 20935  df-xmet 20936  df-met 20937  df-bl 20938  df-mopn 20939  df-fbas 20940  df-fg 20941  df-cnfld 20944  df-top 22395  df-topon 22412  df-topsp 22434  df-bases 22448  df-cld 22522  df-ntr 22523  df-cls 22524  df-nei 22601  df-lp 22639  df-perf 22640  df-cn 22730  df-cnp 22731  df-t1 22817  df-haus 22818  df-cmp 22890  df-tx 23065  df-hmeo 23258  df-fil 23349  df-fm 23441  df-flim 23442  df-flf 23443  df-xms 23825  df-ms 23826  df-tms 23827  df-cncf 24393  df-ovol 24980  df-vol 24981  df-mbf 25135  df-itg1 25136  df-itg2 25137  df-ibl 25138  df-itg 25139  df-0p 25186  df-ditg 25363  df-limc 25382  df-dv 25383

This theorem is referenced by: (None)