Theorem fouriercn 45520

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 45510 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 5898	. . . . . 6 ⊢ dom 𝐺 = dom ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
6		ioossre 13391	. . . . . . . 8 ⊢ (-π(,)π) ⊆ ℝ
7		fouriercn.dv	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝜑 → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
8		cncff 24768	. . . . . . . . 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)
10	7, 8, 9	3syl 18	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → dom (ℝ D 𝐹) = ℝ)
11	6, 10	sseqtrrid 4030	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (-π(,)π) ⊆ dom (ℝ D 𝐹))
12		ssdmres 5998	. . . . . . 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 2778	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → dom 𝐺 = (-π(,)π))
15	14	difeq2d 4117	. . . 4 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ((-π(,)π) ∖ (-π(,)π)))
16		difid 4365	. . . 4 ⊢ ((-π(,)π) ∖ (-π(,)π)) = ∅
17	15, 16	eqtrdi 2782	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ∅)
18		0fin 9173	. . 3 ⊢ ∅ ∈ Fin
19	17, 18	eqeltrdi 2835	. 2 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
20		rescncf 24772	. . . 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 7420	. . 3 ⊢ (𝜑 → (dom 𝐺–cn→ℂ) = ((-π(,)π)–cn→ℂ))
24	21, 22, 23	3eltr4d 2842	. 2 ⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ (dom 𝐺–cn→ℂ))
25		pire 26348	. . . . . 6 ⊢ π ∈ ℝ
26	25	renegcli 11525	. . . . 5 ⊢ -π ∈ ℝ
27	25	rexri 11276	. . . . 5 ⊢ π ∈ ℝ*
28		icossre 13411	. . . . 5 ⊢ ((-π ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ*) → (-π[,)π) ⊆ ℝ)
29	26, 27, 28	mp2an 689	. . . 4 ⊢ (-π[,)π) ⊆ ℝ
30		eldifi 4121	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ (-π[,)π))
31	29, 30	sselid 3975	. . 3 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
32		limcresi 25769	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥)
33	4	reseq1i 5971	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞))
34		resres 5988	. . . . . . . 8 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞)))
35	33, 34	eqtr2i 2755	. . . . . . 7 ⊢ ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) = (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞))
36	35	oveq1i 7415	. . . . . 6 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
37	32, 36	sseqtri 4013	. . . . 5 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
38	7	adantr 480	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
39		simpr 484	. . . . . 6 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → 𝑥 ∈ ℝ)
40	38, 39	cnlimci 25773	. . . . 5 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥))
41	37, 40	sselid 3975	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥))
42	41	ne0d 4330	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
43	31, 42	sylan2 592	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
44		negpitopissre 26429	. . . 4 ⊢ (-π(,]π) ⊆ ℝ
45		eldifi 4121	. . . 4 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ (-π(,]π))
46	44, 45	sselid 3975	. . 3 ⊢ (𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
47		limcresi 25769	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥)
48	4	reseq1i 5971	. . . . . . . 8 ⊢ (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥))
49		resres 5988	. . . . . . . 8 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥)))
50	48, 49	eqtr2i 2755	. . . . . . 7 ⊢ ((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) = (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥))
51	50	oveq1i 7415	. . . . . 6 ⊢ (((ℝ D 𝐹) ↾ ((-π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
52	47, 51	sseqtri 4013	. . . . 5 ⊢ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
53	52, 40	sselid 3975	. . . 4 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥))
54	53	ne0d 4330	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
55	46, 54	sylan2 592	. 2 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
56		eqid 2726	. 2 ⊢ (topGen‘ran (,)) = (topGen‘ran (,))
57		ax-resscn 11169	. . . . . . 7 ⊢ ℝ ⊆ ℂ
58	57	a1i 11	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
59	1, 58	fssd 6729	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℂ)
60		ssid 3999	. . . . . . . 8 ⊢ ℝ ⊆ ℝ
61	60	a1i 11	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℝ)
62		dvcn 25806	. . . . . . 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 24773	. . . . . 6 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ)) → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
65	58, 63, 64	syl2anc 583	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ) ↔ 𝐹:ℝ⟶ℝ))
66	1, 65	mpbird 257	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℝ))
67		eqid 2726	. . . . . 6 ⊢ (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
68	67	tgioo2 24674	. . . . . 6 ⊢ (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
69	67, 68, 68	cncfcn 24785	. . . . 5 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ ℝ ⊆ ℂ) → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
70	58, 58, 69	syl2anc 583	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (ℝ–cn→ℝ) = ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
71	66, 70	eleqtrd 2829	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
72		fouriercn.x	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
73		uniretop 24634	. . . 4 ⊢ ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
74	73	cncnpi 23137	. . 3 ⊢ ((𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))) ∧ 𝑋 ∈ ℝ) → 𝐹 ∈ (((topGen‘ran (,)) CnP (topGen‘ran (,)))‘𝑋))
75	71, 72, 74	syl2anc 583	. 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 45514	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 395   = wceq 1533   ∈ wcel 2098   ≠ wne 2934   ∖ cdif 3940   ∩ cin 3942   ⊆ wss 3943  ∅c0 4317   ↦ cmpt 5224  dom cdm 5669  ran crn 5670   ↾ cres 5671  ⟶wf 6533  ‘cfv 6537  (class class class)co 7405  Fincfn 8941  ℂcc 11110  ℝcr 11111  0cc0 11112   + caddc 11115   · cmul 11117  +∞cpnf 11249  -∞cmnf 11250  ℝ^*cxr 11251  -cneg 11449   / cdiv 11875  ℕcn 12216  2c2 12271  ℕ₀cn0 12476  (,)cioo 13330  (,]cioc 13331  [,)cico 13332  Σcsu 15638  sincsin 16013  cosccos 16014  πcpi 16016  TopOpenctopn 17376  topGenctg 17392  ℂ_fldccnfld 21240   Cn ccn 23083   CnP ccnp 23084  –cn→ccncf 24751  ∫citg 25502   lim_ℂ climc 25746   D cdv 25747

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 2163  ax-ext 2697  ax-rep 5278  ax-sep 5292  ax-nul 5299  ax-pow 5356  ax-pr 5420  ax-un 7722  ax-inf2 9638  ax-cc 10432  ax-cnex 11168  ax-resscn 11169  ax-1cn 11170  ax-icn 11171  ax-addcl 11172  ax-addrcl 11173  ax-mulcl 11174  ax-mulrcl 11175  ax-mulcom 11176  ax-addass 11177  ax-mulass 11178  ax-distr 11179  ax-i2m1 11180  ax-1ne0 11181  ax-1rid 11182  ax-rnegex 11183  ax-rrecex 11184  ax-cnre 11185  ax-pre-lttri 11186  ax-pre-lttrn 11187  ax-pre-ltadd 11188  ax-pre-mulgt0 11189  ax-pre-sup 11190  ax-addf 11191

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 396  df-or 845  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 2704  df-cleq 2718  df-clel 2804  df-nfc 2879  df-ne 2935  df-nel 3041  df-ral 3056  df-rex 3065  df-rmo 3370  df-reu 3371  df-rab 3427  df-v 3470  df-sbc 3773  df-csb 3889  df-dif 3946  df-un 3948  df-in 3950  df-ss 3960  df-pss 3962  df-symdif 4237  df-nul 4318  df-if 4524  df-pw 4599  df-sn 4624  df-pr 4626  df-tp 4628  df-op 4630  df-uni 4903  df-int 4944  df-iun 4992  df-iin 4993  df-disj 5107  df-br 5142  df-opab 5204  df-mpt 5225  df-tr 5259  df-id 5567  df-eprel 5573  df-po 5581  df-so 5582  df-fr 5624  df-se 5625  df-we 5626  df-xp 5675  df-rel 5676  df-cnv 5677  df-co 5678  df-dm 5679  df-rn 5680  df-res 5681  df-ima 5682  df-pred 6294  df-ord 6361  df-on 6362  df-lim 6363  df-suc 6364  df-iota 6489  df-fun 6539  df-fn 6540  df-f 6541  df-f1 6542  df-fo 6543  df-f1o 6544  df-fv 6545  df-isom 6546  df-riota 7361  df-ov 7408  df-oprab 7409  df-mpo 7410  df-of 7667  df-ofr 7668  df-om 7853  df-1st 7974  df-2nd 7975  df-supp 8147  df-frecs 8267  df-wrecs 8298  df-recs 8372  df-rdg 8411  df-1o 8467  df-2o 8468  df-oadd 8471  df-omul 8472  df-er 8705  df-map 8824  df-pm 8825  df-ixp 8894  df-en 8942  df-dom 8943  df-sdom 8944  df-fin 8945  df-fsupp 9364  df-fi 9408  df-sup 9439  df-inf 9440  df-oi 9507  df-dju 9898  df-card 9936  df-acn 9939  df-pnf 11254  df-mnf 11255  df-xr 11256  df-ltxr 11257  df-le 11258  df-sub 11450  df-neg 11451  df-div 11876  df-nn 12217  df-2 12279  df-3 12280  df-4 12281  df-5 12282  df-6 12283  df-7 12284  df-8 12285  df-9 12286  df-n0 12477  df-xnn0 12549  df-z 12563  df-dec 12682  df-uz 12827  df-q 12937  df-rp 12981  df-xneg 13098  df-xadd 13099  df-xmul 13100  df-ioo 13334  df-ioc 13335  df-ico 13336  df-icc 13337  df-fz 13491  df-fzo 13634  df-fl 13763  df-mod 13841  df-seq 13973  df-exp 14033  df-fac 14239  df-bc 14268  df-hash 14296  df-shft 15020  df-cj 15052  df-re 15053  df-im 15054  df-sqrt 15188  df-abs 15189  df-limsup 15421  df-clim 15438  df-rlim 15439  df-sum 15639  df-ef 16017  df-sin 16019  df-cos 16020  df-pi 16022  df-struct 17089  df-sets 17106  df-slot 17124  df-ndx 17136  df-base 17154  df-ress 17183  df-plusg 17219  df-mulr 17220  df-starv 17221  df-sca 17222  df-vsca 17223  df-ip 17224  df-tset 17225  df-ple 17226  df-ds 17228  df-unif 17229  df-hom 17230  df-cco 17231  df-rest 17377  df-topn 17378  df-0g 17396  df-gsum 17397  df-topgen 17398  df-pt 17399  df-prds 17402  df-xrs 17457  df-qtop 17462  df-imas 17463  df-xps 17465  df-mre 17539  df-mrc 17540  df-acs 17542  df-mgm 18573  df-sgrp 18652  df-mnd 18668  df-submnd 18714  df-mulg 18996  df-cntz 19233  df-cmn 19702  df-psmet 21232  df-xmet 21233  df-met 21234  df-bl 21235  df-mopn 21236  df-fbas 21237  df-fg 21238  df-cnfld 21241  df-top 22751  df-topon 22768  df-topsp 22790  df-bases 22804  df-cld 22878  df-ntr 22879  df-cls 22880  df-nei 22957  df-lp 22995  df-perf 22996  df-cn 23086  df-cnp 23087  df-t1 23173  df-haus 23174  df-cmp 23246  df-tx 23421  df-hmeo 23614  df-fil 23705  df-fm 23797  df-flim 23798  df-flf 23799  df-xms 24181  df-ms 24182  df-tms 24183  df-cncf 24753  df-ovol 25348  df-vol 25349  df-mbf 25503  df-itg1 25504  df-itg2 25505  df-ibl 25506  df-itg 25507  df-0p 25554  df-ditg 25731  df-limc 25750  df-dv 25751

This theorem is referenced by: (None)