Users' Mathboxes Mathbox for Glauco Siliprandi < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >   Mathboxes  >  fouriercn Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem fouriercn 47336
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 47326 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
StepHypRef 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))
54dmeqi 5885 . . . . . 6 dom 𝐺 = dom ((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π))
6 ioossre 13542 . . . . . . . 8 ( -π(,)π) ⊆ ℝ
7 fouriercn.dv . . . . . . . . 9 (𝜑 → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
8 cncff 25220 . . . . . . . . 9 ((ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ) → (ℝ D 𝐹):ℝ⟶ℂ)
9 fdm 6720 . . . . . . . . 9 ((ℝ D 𝐹):ℝ⟶ℂ → dom (ℝ D 𝐹) = ℝ)
107, 8, 93syl 19 . . . . . . . 8 (𝜑 → dom (ℝ D 𝐹) = ℝ)
116, 10sseqtrrid 3951 . . . . . . 7 (𝜑 → ( -π(,)π) ⊆ dom (ℝ D 𝐹))
12 ssdmres 6003 . . . . . . 7 (( -π(,)π) ⊆ dom (ℝ D 𝐹) ↔ dom ((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) = ( -π(,)π))
1311, 12sylib 221 . . . . . 6 (𝜑 → dom ((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) = ( -π(,)π))
145, 13eqtrid 2807 . . . . 5 (𝜑 → dom 𝐺 = ( -π(,)π))
1514difeq2d 4063 . . . 4 (𝜑 → (( -π(,)π) ∖ dom 𝐺) = (( -π(,)π) ∖ ( -π(,)π)))
16 difid 4324 . . . 4 (( -π(,)π) ∖ ( -π(,)π)) = ∅
1715, 16eqtrdi 2811 . . 3 (𝜑 → (( -π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ∅)
18 0fi 9074 . . 3 ∅ ∈ Fin
1917, 18eqeltrdi 2868 . 2 (𝜑 → (( -π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
20 rescncf 25224 . . . 4 (( -π(,)π) ⊆ ℝ → ((ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ) → ((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ∈ (( -π(,)π)–cn→ℂ)))
216, 7, 20mpsyl 69 . . 3 (𝜑 → ((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ∈ (( -π(,)π)–cn→ℂ))
224a1i 11 . . 3 (𝜑 → 𝐺 = ((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)))
2314oveq1d 7436 . . 3 (𝜑 → (dom 𝐺–cn→ℂ) = (( -π(,)π)–cn→ℂ))
2421, 22, 233eltr4d 2875 . 2 (𝜑 → 𝐺 ∈ (dom 𝐺–cn→ℂ))
25 pire 26789 . . . . . 6 π ∈ ℝ
2625renegcli 11623 . . . . 5 -π ∈ ℝ
2725rexri 11371 . . . . 5 π ∈ ℝ*
28 icossre 13563 . . . . 5 (( -π ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ*) → ( -π[,)π) ⊆ ℝ)
2926, 27, 28mp2an 705 . . . 4 ( -π[,)π) ⊆ ℝ
30 eldifi 4067 . . . 4 (𝑥 ∈ (( -π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ( -π[,)π))
3129, 30sselid 3906 . . 3 (𝑥 ∈ (( -π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
32 limcresi 26211 . . . . . 6 ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥)
334reseq1i 5965 . . . . . . . 8 (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞))
34 resres 5982 . . . . . . . 8 (((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞)))
3533, 34eqtr2i 2784 . . . . . . 7 ((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) = (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞))
3635oveq1i 7431 . . . . . 6 (((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
3732, 36sseqtri 3956 . . . . 5 ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
387adantr 486 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
39 simpr 490 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → 𝑥 ∈ ℝ)
4038, 39cnlimci 26215 . . . . 5 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥))
4137, 40sselid 3906 . . . 4 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥))
4241ne0d 4287 . . 3 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
4331, 42sylan2 605 . 2 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ (( -π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
44 negpitopissre 26874 . . . 4 ( -π(,]π) ⊆ ℝ
45 eldifi 4067 . . . 4 (𝑥 ∈ (( -π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ( -π(,]π))
4644, 45sselid 3906 . . 3 (𝑥 ∈ (( -π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
47 limcresi 26211 . . . . . 6 ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥)
484reseq1i 5965 . . . . . . . 8 (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥))
49 resres 5982 . . . . . . . 8 (((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥)))
5048, 49eqtr2i 2784 . . . . . . 7 ((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) = (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥))
5150oveq1i 7431 . . . . . 6 (((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
5247, 51sseqtri 3956 . . . . 5 ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
5352, 40sselid 3906 . . . 4 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥))
5453ne0d 4287 . . 3 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
5546, 54sylan2 605 . 2 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ (( -π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
56 eqid 2760 . 2 (topGen‘ran (,)) = (topGen‘ran (,))
57 ax-resscn 11261 . . . . . . 7 ℝ ⊆ ℂ
5857a1i 11 . . . . . 6 (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
591, 58fssd 6728 . . . . . . 7 (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℂ)
60 ssid 3930 . . . . . . . 8 ℝ ⊆ ℝ
6160a1i 11 . . . . . . 7 (𝜑 → ℝ ⊆ ℝ)
62 dvcn 26247 . . . . . . 7 (((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ ℝ ⊆ ℝ) ∧ dom (ℝ D 𝐹) = ℝ) → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
6358, 59, 61, 10, 62syl31anc 1400 . . . . . 6 (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
64 cncfcdm 25225 . . . . . 6 ((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ)) → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
6558, 63, 64syl2anc 596 . . . . 5 (𝜑 → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
661, 65mpbird 260 . . . 4 (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ))
67 eqid 2760 . . . . . 6 (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
68 tgioo4 25130 . . . . . 6 (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
6967, 68, 68cncfcn 25237 . . . . 5 ((ℝ ⊆ ℂ ∧ ℝ ⊆ ℂ) → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
7058, 58, 69syl2anc 596 . . . 4 (𝜑 → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
7166, 70eleqtrd 2862 . . 3 (𝜑 → 𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
72 fouriercn.x . . 3 (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
73 uniretop 25087 . . . 4 ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
7473cncnpi 23602 . . 3 ((𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))) ∧ 𝑋 ∈ ℝ) → 𝐹 ∈ (((topGen‘ran (,)) CnP (topGen‘ran (,)))‘𝑋))
7571, 72, 74syl2anc 596 . 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))
781, 2, 3, 4, 19, 24, 43, 55, 56, 75, 76, 77fouriercnp 47330 1 (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴‘𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵‘𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (𝐹‘𝑋))
Colors of variables:    wff setvar class
This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ↔ wb 209   ∧ wa 401   = wceq 1569   ∈ wcel 2144   ≠ wne 2955   ⊆ wss 3895   ∖ cdif 4045   ∩ cin 4089  ∅c0 4278   ↦ cmpt 5185  dom cdm 5650  ran crn 5651   ↾ cres 5652  ⟶wf 6535  ‘cfv 6539  (class class class)co 7421  Fincfn 8977  ℂcc 11202  ℝcr 11203  0cc0 11204   + caddc 11207   · cmul 11209  +∞cpnf 11344  -∞cmnf 11345  ℝ*cxr 11346   -cneg 11546   / cdiv 11977  ℕcn 12339  2c2 12401  ℕ0cn0 12610  (,)cioo 13480  (,]cioc 13481  [,)cico 13482  Σcsu 15859  sincsin 16235  cosccos 16236  πcpi 16238  TopOpenctopn 17598  topGenctg 17614  ℂfldccnfld 21684   Cn ccn 23548   CnP ccnp 23549  –cn→ccncf 25203  ∫citg 25945   limℂ climc 26188   D cdv 26189
This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-rep 5231  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5326  ax-pr 5390  ax-un 7752  ax-inf2 9646  ax-cc 10517  ax-cnex 11260  ax-resscn 11261  ax-1cn 11262  ax-icn 11263  ax-addcl 11264  ax-addrcl 11265  ax-mulcl 11266  ax-mulrcl 11267  ax-mulcom 11268  ax-addass 11269  ax-mulass 11270  ax-distr 11271  ax-i2m1 11272  ax-1ne0 11273  ax-1rid 11274  ax-rnegex 11275  ax-rrecex 11276  ax-cnre 11277  ax-pre-lttri 11278  ax-pre-lttrn 11279  ax-pre-ltadd 11280  ax-pre-mulgt0 11281  ax-pre-sup 11282  ax-addf 11283
This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3365  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3739  df-csb 3847  df-ss 3896  df-pss 4014  df-dif 4047  df-in 4091  df-un 4151  df-symdif 4198  df-nul 4279  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4585  df-pr 4587  df-tp 4589  df-op 4835  df-uni 4867  df-int 4907  df-iun 4952  df-iin 4953  df-disj 5070  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-tr 5212  df-id 5545  df-eprel 5550  df-po 5558  df-so 5559  df-fr 5603  df-se 5604  df-we 5605  df-xp 5656  df-rel 5657  df-cnv 5658  df-co 5659  df-dm 5660  df-rn 5661  df-res 5662  df-ima 5663  df-pred 6304  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6494  df-fun 6541  df-fn 6542  df-f 6543  df-f1 6544  df-fo 6545  df-f1o 6546  df-fv 6547  df-isom 6548  df-riota 7378  df-ov 7424  df-oprab 7425  df-mpo 7426  df-of 7694  df-ofr 7695  df-om 7879  df-1st 8002  df-2nd 8003  df-supp 8181  df-frecs 8303  df-wrecs 8334  df-recs 8383  df-rdg 8422  df-1o 8480  df-2o 8481  df-oadd 8484  df-omul 8485  df-er 8721  df-map 8853  df-pm 8854  df-ixp 8930  df-en 8978  df-dom 8979  df-sdom 8980  df-fin 8981  df-fsupp 9358  df-fi 9407  df-sup 9438  df-inf 9439  df-oi 9508  df-dju 9986  df-card 10024  df-acn 10027  df-pnf 11349  df-mnf 11350  df-xr 11351  df-ltxr 11352  df-le 11353  df-sub 11547  df-neg 11548  df-div 11978  df-nn 12340  df-2 12409  df-3 12410  df-4 12411  df-5 12412  df-6 12413  df-7 12414  df-8 12415  df-9 12416  df-n0 12611  df-xnn0 12684  df-z 12698  df-dec 12819  df-uz 12970  df-q 13080  df-rp 13125  df-xneg 13245  df-xadd 13246  df-xmul 13247  df-ioo 13484  df-ioc 13485  df-ico 13486  df-icc 13487  df-fz 13644  df-fzo 13793  df-fl 13936  df-mod 14014  df-seq 14149  df-exp 14209  df-fac 14422  df-bc 14451  df-hash 14479  df-shft 15226  df-cj 15272  df-re 15273  df-im 15274  df-sqrt 15408  df-abs 15409  df-limsup 15644  df-clim 15661  df-rlim 15662  df-sum 15860  df-ef 16239  df-sin 16241  df-cos 16242  df-pi 16244  df-struct 17331  df-sets 17348  df-slot 17366  df-ndx 17378  df-base 17394  df-ress 17415  df-plusg 17447  df-mulr 17448  df-starv 17449  df-sca 17450  df-vsca 17451  df-ip 17452  df-tset 17453  df-ple 17454  df-ds 17456  df-unif 17457  df-hom 17458  df-cco 17459  df-rest 17599  df-topn 17600  df-0g 17618  df-gsum 17619  df-topgen 17620  df-pt 17621  df-prds 17624  df-xrs 17680  df-qtop 17685  df-imas 17686  df-xps 17688  df-mre 17762  df-mrc 17763  df-acs 17765  df-mgm 18822  df-sgrp 18914  df-mnd 18930  df-submnd 18985  df-mulg 19284  df-cntz 19537  df-cmn 20002  df-psmet 21676  df-xmet 21677  df-met 21678  df-bl 21679  df-mopn 21680  df-fbas 21681  df-fg 21682  df-cnfld 21685  df-top 23218  df-topon 23235  df-topsp 23257  df-bases 23270  df-cld 23343  df-ntr 23344  df-cls 23345  df-nei 23422  df-lp 23460  df-perf 23461  df-cn 23551  df-cnp 23552  df-t1 23638  df-haus 23639  df-cmp 23711  df-tx 23887  df-hmeo 24080  df-fil 24171  df-fm 24263  df-flim 24264  df-flf 24265  df-xms 24645  df-ms 24646  df-tms 24647  df-cncf 25205  df-ovol 25791  df-vol 25792  df-mbf 25946  df-itg1 25947  df-itg2 25948  df-ibl 25949  df-itg 25950  df-0p 25997  df-ditg 26173  df-limc 26192  df-dv 26193
This theorem is used by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator