Theorem fouriercn 45683

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 45673 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 5901	. . . . . 6 ⊢ dom 𝐺 = dom ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
6		ioossre 13417	. . . . . . . 8 ⊢ (-π(,)π) ⊆ ℝ
7		fouriercn.dv	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
8		cncff 24831	. . . . . . . . 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 4026	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (-π(,)π) ⊆ dom (ℝ D 𝐹))
12		ssdmres 6012	. . . . . . 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 2777	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → dom 𝐺 = (-π(,)π))
15	14	difeq2d 4114	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ((-π(,)π) ∖ (-π(,)π)))
16		difid 4366	. . . 4 ⊢ ((-π(,)π) ∖ (-π(,)π)) = ∅
17	15, 16	eqtrdi 2781	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ∅)
18		0fin 9194	. . 3 ⊢ ∅ ∈ Fin
19	17, 18	eqeltrdi 2833	. 2 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
20		rescncf 24835	. . . 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 7431	. . 3 ⊢ (𝜑 → (dom 𝐺–cn→ℂ) = ((-π(,)π)–cn→ℂ))
24	21, 22, 23	3eltr4d 2840	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ (dom 𝐺–cn→ℂ))
25		pire 26411	. . . . . 6 ⊢ π ∈ ℝ
26	25	renegcli 11551	. . . . 5 ⊢ -π ∈ ℝ
27	25	rexri 11302	. . . . 5 ⊢ π ∈ ℝ*
28		icossre 13437	. . . . 5 ⊢ ((-π ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ*) → (-π[,)π) ⊆ ℝ)
29	26, 27, 28	mp2an 690	. . . 4 ⊢ (-π[,)π) ⊆ ℝ
30		eldifi 4119	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ (-π[,)π))
31	29, 30	sselid 3970	. . 3 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
32		limcresi 25832	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥)
33	4	reseq1i 5975	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞))
34		resres 5992	. . . . . . . 8 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞)))
35	33, 34	eqtr2i 2754	. . . . . . 7 ⊢ ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) = (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞))
36	35	oveq1i 7426	. . . . . 6 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
37	32, 36	sseqtri 4009	. . . . 5 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
38	7	adantr 479	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
39		simpr 483	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → 𝑥 ∈ ℝ)
40	38, 39	cnlimci 25836	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥))
41	37, 40	sselid 3970	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥))
42	41	ne0d 4331	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
43	31, 42	sylan2 591	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
44		negpitopissre 26492	. . . 4 ⊢ (-π(,]π) ⊆ ℝ
45		eldifi 4119	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ (-π(,]π))
46	44, 45	sselid 3970	. . 3 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
47		limcresi 25832	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥)
48	4	reseq1i 5975	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥))
49		resres 5992	. . . . . . . 8 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥)))
50	48, 49	eqtr2i 2754	. . . . . . 7 ⊢ ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) = (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥))
51	50	oveq1i 7426	. . . . . 6 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
52	47, 51	sseqtri 4009	. . . . 5 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
53	52, 40	sselid 3970	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥))
54	53	ne0d 4331	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
55	46, 54	sylan2 591	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
56		eqid 2725	. 2 ⊢ (topGen‘ran (,)) = (topGen‘ran (,))
57		ax-resscn 11195	. . . . . . 7 ⊢ ℝ ⊆ ℂ
58	57	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
59	1, 58	fssd 6735	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℂ)
60		ssid 3995	. . . . . . . 8 ⊢ ℝ ⊆ ℝ
61	60	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℝ)
62		dvcn 25869	. . . . . . 7 ⊢ (((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ ℝ ⊆ ℝ) ∧ dom (ℝ D 𝐹) = ℝ) → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
63	58, 59, 61, 10, 62	syl31anc 1370	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
64		cncfcdm 24836	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ)) → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
65	58, 63, 64	syl2anc 582	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
66	1, 65	mpbird 256	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ))
67		eqid 2725	. . . . . 6 ⊢ (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
68	67	tgioo2 24737	. . . . . 6 ⊢ (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
69	67, 68, 68	cncfcn 24848	. . . . 5 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ ℝ ⊆ ℂ) → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
70	58, 58, 69	syl2anc 582	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
71	66, 70	eleqtrd 2827	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
72		fouriercn.x	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
73		uniretop 24697	. . . 4 ⊢ ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
74	73	cncnpi 23200	. . 3 ⊢ ((𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))) ∧ 𝑋 ∈ ℝ) → 𝐹 ∈ (((topGen‘ran (,)) CnP (topGen‘ran (,)))‘𝑋))
75	71, 72, 74	syl2anc 582	. 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 45677	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 394   = wceq 1533   ∈ wcel 2098   ≠ wne 2930   ∖ cdif 3936   ∩ cin 3938   ⊆ wss 3939  ∅c0 4318   ↦ cmpt 5226  dom cdm 5672  ran crn 5673   ↾ cres 5674  ⟶wf 6539  ‘cfv 6543  (class class class)co 7416  Fincfn 8962  ℂcc 11136  ℝcr 11137  0cc0 11138   + caddc 11141   · cmul 11143  +∞cpnf 11275  -∞cmnf 11276  ℝ^*cxr 11277  -cneg 11475   / cdiv 11901  ℕcn 12242  2c2 12297  ℕ₀cn0 12502  (,)cioo 13356  (,]cioc 13357  [,)cico 13358  Σcsu 15664  sincsin 16039  cosccos 16040  πcpi 16042  TopOpenctopn 17402  topGenctg 17418  ℂ_fldccnfld 21283   Cn ccn 23146   CnP ccnp 23147  –cn→ccncf 24814  ∫citg 25565   lim_ℂ climc 25809   D cdv 25810

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1789  ax-4 1803  ax-5 1905  ax-6 1963  ax-7 2003  ax-8 2100  ax-9 2108  ax-10 2129  ax-11 2146  ax-12 2166  ax-ext 2696  ax-rep 5280  ax-sep 5294  ax-nul 5301  ax-pow 5359  ax-pr 5423  ax-un 7738  ax-inf2 9664  ax-cc 10458  ax-cnex 11194  ax-resscn 11195  ax-1cn 11196  ax-icn 11197  ax-addcl 11198  ax-addrcl 11199  ax-mulcl 11200  ax-mulrcl 11201  ax-mulcom 11202  ax-addass 11203  ax-mulass 11204  ax-distr 11205  ax-i2m1 11206  ax-1ne0 11207  ax-1rid 11208  ax-rnegex 11209  ax-rrecex 11210  ax-cnre 11211  ax-pre-lttri 11212  ax-pre-lttrn 11213  ax-pre-ltadd 11214  ax-pre-mulgt0 11215  ax-pre-sup 11216  ax-addf 11217

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 395  df-or 846  df-3or 1085  df-3an 1086  df-tru 1536  df-fal 1546  df-ex 1774  df-nf 1778  df-sb 2060  df-mo 2528  df-eu 2557  df-clab 2703  df-cleq 2717  df-clel 2802  df-nfc 2877  df-ne 2931  df-nel 3037  df-ral 3052  df-rex 3061  df-rmo 3364  df-reu 3365  df-rab 3420  df-v 3465  df-sbc 3769  df-csb 3885  df-dif 3942  df-un 3944  df-in 3946  df-ss 3956  df-pss 3959  df-symdif 4237  df-nul 4319  df-if 4525  df-pw 4600  df-sn 4625  df-pr 4627  df-tp 4629  df-op 4631  df-uni 4904  df-int 4945  df-iun 4993  df-iin 4994  df-disj 5109  df-br 5144  df-opab 5206  df-mpt 5227  df-tr 5261  df-id 5570  df-eprel 5576  df-po 5584  df-so 5585  df-fr 5627  df-se 5628  df-we 5629  df-xp 5678  df-rel 5679  df-cnv 5680  df-co 5681  df-dm 5682  df-rn 5683  df-res 5684  df-ima 5685  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 7372  df-ov 7419  df-oprab 7420  df-mpo 7421  df-of 7682  df-ofr 7683  df-om 7869  df-1st 7991  df-2nd 7992  df-supp 8164  df-frecs 8285  df-wrecs 8316  df-recs 8390  df-rdg 8429  df-1o 8485  df-2o 8486  df-oadd 8489  df-omul 8490  df-er 8723  df-map 8845  df-pm 8846  df-ixp 8915  df-en 8963  df-dom 8964  df-sdom 8965  df-fin 8966  df-fsupp 9386  df-fi 9434  df-sup 9465  df-inf 9466  df-oi 9533  df-dju 9924  df-card 9962  df-acn 9965  df-pnf 11280  df-mnf 11281  df-xr 11282  df-ltxr 11283  df-le 11284  df-sub 11476  df-neg 11477  df-div 11902  df-nn 12243  df-2 12305  df-3 12306  df-4 12307  df-5 12308  df-6 12309  df-7 12310  df-8 12311  df-9 12312  df-n0 12503  df-xnn0 12575  df-z 12589  df-dec 12708  df-uz 12853  df-q 12963  df-rp 13007  df-xneg 13124  df-xadd 13125  df-xmul 13126  df-ioo 13360  df-ioc 13361  df-ico 13362  df-icc 13363  df-fz 13517  df-fzo 13660  df-fl 13789  df-mod 13867  df-seq 13999  df-exp 14059  df-fac 14265  df-bc 14294  df-hash 14322  df-shft 15046  df-cj 15078  df-re 15079  df-im 15080  df-sqrt 15214  df-abs 15215  df-limsup 15447  df-clim 15464  df-rlim 15465  df-sum 15665  df-ef 16043  df-sin 16045  df-cos 16046  df-pi 16048  df-struct 17115  df-sets 17132  df-slot 17150  df-ndx 17162  df-base 17180  df-ress 17209  df-plusg 17245  df-mulr 17246  df-starv 17247  df-sca 17248  df-vsca 17249  df-ip 17250  df-tset 17251  df-ple 17252  df-ds 17254  df-unif 17255  df-hom 17256  df-cco 17257  df-rest 17403  df-topn 17404  df-0g 17422  df-gsum 17423  df-topgen 17424  df-pt 17425  df-prds 17428  df-xrs 17483  df-qtop 17488  df-imas 17489  df-xps 17491  df-mre 17565  df-mrc 17566  df-acs 17568  df-mgm 18599  df-sgrp 18678  df-mnd 18694  df-submnd 18740  df-mulg 19028  df-cntz 19272  df-cmn 19741  df-psmet 21275  df-xmet 21276  df-met 21277  df-bl 21278  df-mopn 21279  df-fbas 21280  df-fg 21281  df-cnfld 21284  df-top 22814  df-topon 22831  df-topsp 22853  df-bases 22867  df-cld 22941  df-ntr 22942  df-cls 22943  df-nei 23020  df-lp 23058  df-perf 23059  df-cn 23149  df-cnp 23150  df-t1 23236  df-haus 23237  df-cmp 23309  df-tx 23484  df-hmeo 23677  df-fil 23768  df-fm 23860  df-flim 23861  df-flf 23862  df-xms 24244  df-ms 24245  df-tms 24246  df-cncf 24816  df-ovol 25411  df-vol 25412  df-mbf 25566  df-itg1 25567  df-itg2 25568  df-ibl 25569  df-itg 25570  df-0p 25617  df-ditg 25794  df-limc 25813  df-dv 25814

This theorem is referenced by: (None)