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 47509
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 47499 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 5896 . . . . . 6 dom 𝐺 = dom ((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π))
6 ioossre 13576 . . . . . . . 8 ( -π(,)π) ⊆ ℝ
7 fouriercn.dv . . . . . . . . 9 (𝜑 → (ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ))
8 cncff 25258 . . . . . . . . 9 ((ℝ D 𝐹) ∈ (ℝ–cn→ℂ) → (ℝ D 𝐹):ℝ⟶ℂ)
9 fdm 6747 . . . . . . . . 9 ((ℝ D 𝐹):ℝ⟶ℂ → dom (ℝ D 𝐹) = ℝ)
107, 8, 93syl 19 . . . . . . . 8 (𝜑 → dom (ℝ D 𝐹) = ℝ)
116, 10sseqtrrid 3956 . . . . . . 7 (𝜑 → ( -π(,)π) ⊆ dom (ℝ D 𝐹))
12 ssdmres 6019 . . . . . . 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 2810 . . . . 5 (𝜑 → dom 𝐺 = ( -π(,)π))
1514difeq2d 4066 . . . 4 (𝜑 → (( -π(,)π) ∖ dom 𝐺) = (( -π(,)π) ∖ ( -π(,)π)))
16 difid 4328 . . . 4 (( -π(,)π) ∖ ( -π(,)π)) = ∅
1715, 16eqtrdi 2814 . . 3 (𝜑 → (( -π(,)π) ∖ dom 𝐺) = ∅)
18 0fi 9106 . . 3 ∅ ∈ Fin
1917, 18eqeltrdi 2872 . 2 (𝜑 → (( -π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
20 rescncf 25262 . . . 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 7464 . . 3 (𝜑 → (dom 𝐺–cn→ℂ) = (( -π(,)π)–cn→ℂ))
2421, 22, 233eltr4d 2879 . 2 (𝜑 → 𝐺 ∈ (dom 𝐺–cn→ℂ))
25 pire 26829 . . . . . 6 π ∈ ℝ
2625renegcli 11656 . . . . 5 -π ∈ ℝ
2725rexri 11404 . . . . 5 π ∈ ℝ*
28 icossre 13597 . . . . 5 (( -π ∈ ℝ ∧ π ∈ ℝ*) → ( -π[,)π) ⊆ ℝ)
2926, 27, 28mp2an 705 . . . 4 ( -π[,)π) ⊆ ℝ
30 eldifi 4070 . . . 4 (𝑥 ∈ (( -π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ( -π[,)π))
3129, 30sselid 3911 . . 3 (𝑥 ∈ (( -π[,)π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
32 limcresi 26249 . . . . . 6 ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥)
334reseq1i 5980 . . . . . . . 8 (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞))
34 resres 5997 . . . . . . . 8 (((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ↾ (𝑥(,)+∞)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞)))
3533, 34eqtr2i 2787 . . . . . . 7 ((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) = (𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞))
3635oveq1i 7459 . . . . . 6 (((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (𝑥(,)+∞))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥)
3732, 36sseqtri 3961 . . . . 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 26253 . . . . 5 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥))
4137, 40sselid 3911 . . . 4 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥))
4241ne0d 4291 . . 3 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
4331, 42sylan2 605 . 2 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ (( -π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
44 negpitopissre 26914 . . . 4 ( -π(,]π) ⊆ ℝ
45 eldifi 4070 . . . 4 (𝑥 ∈ (( -π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ( -π(,]π))
4644, 45sselid 3911 . . 3 (𝑥 ∈ (( -π(,]π) ∖ dom 𝐺) → 𝑥 ∈ ℝ)
47 limcresi 26249 . . . . . 6 ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ (((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥)
484reseq1i 5980 . . . . . . . 8 (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) = (((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥))
49 resres 5997 . . . . . . . 8 (((ℝ D 𝐹) ↾ ( -π(,)π)) ↾ (-∞(,)𝑥)) = ((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥)))
5048, 49eqtr2i 2787 . . . . . . 7 ((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) = (𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥))
5150oveq1i 7459 . . . . . 6 (((ℝ D 𝐹) ↾ (( -π(,)π) ∩ (-∞(,)𝑥))) limℂ 𝑥) = ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
5247, 51sseqtri 3961 . . . . 5 ((ℝ D 𝐹) limℂ 𝑥) ⊆ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥)
5352, 40sselid 3911 . . . 4 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((ℝ D 𝐹)‘𝑥) ∈ ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥))
5453ne0d 4291 . . 3 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
5546, 54sylan2 605 . 2 ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ (( -π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
56 eqid 2763 . 2 (topGen‘ran (,)) = (topGen‘ran (,))
57 ax-resscn 11294 . . . . . . 7 ℝ ⊆ ℂ
5857a1i 11 . . . . . 6 (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
591, 58fssd 6755 . . . . . . 7 (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℂ)
60 ssid 3935 . . . . . . . 8 ℝ ⊆ ℝ
6160a1i 11 . . . . . . 7 (𝜑 → ℝ ⊆ ℝ)
62 dvcn 26285 . . . . . . 7 (((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ ℝ ⊆ ℝ) ∧ dom (ℝ D 𝐹) = ℝ) → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
6358, 59, 61, 10, 62syl31anc 1401 . . . . . 6 (𝜑 → 𝐹 ∈ (ℝ–cn→ℂ))
64 cncfcdm 25263 . . . . . 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 2763 . . . . . 6 (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
68 tgioo4 25168 . . . . . 6 (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
6967, 68, 68cncfcn 25275 . . . . 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 2866 . . 3 (𝜑 → 𝐹 ∈ ((topGen‘ran (,)) Cn (topGen‘ran (,))))
72 fouriercn.x . . 3 (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
73 uniretop 25125 . . . 4 ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
7473cncnpi 23640 . . 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 47503 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 1570   ∈ wcel 2147   ≠ wne 2959   ⊆ wss 3900   ∖ cdif 4048   ∩ cin 4092  ∅c0 4281   ↦ cmpt 5190  dom cdm 5656  ran crn 5657   ↾ cres 5658  ⟶wf 6560  ‘cfv 6564  (class class class)co 7449  Fincfn 9009  ℂcc 11235  ℝcr 11236  0cc0 11237   + caddc 11240   · cmul 11242  +∞cpnf 11377  -∞cmnf 11378  ℝ*cxr 11379   -cneg 11579   / cdiv 12011  ℕcn 12373  2c2 12435  ℕ0cn0 12644  (,)cioo 13514  (,]cioc 13515  [,)cico 13516  Σcsu 15894  sincsin 16270  cosccos 16271  πcpi 16273  TopOpenctopn 17633  topGenctg 17649  ℂfldccnfld 21720   Cn ccn 23586   CnP ccnp 23587  –cn→ccncf 25241  ∫citg 25983   limℂ climc 26226   D cdv 26227
This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1945  ax-6 2002  ax-7 2043  ax-8 2149  ax-9 2157  ax-10 2180  ax-11 2197  ax-12 2216  ax-ext 2735  ax-rep 5236  ax-sep 5253  ax-nul 5264  ax-pow 5332  ax-pr 5396  ax-un 7781  ax-inf2 9677  ax-cc 10550  ax-cnex 11293  ax-resscn 11294  ax-1cn 11295  ax-icn 11296  ax-addcl 11297  ax-addrcl 11298  ax-mulcl 11299  ax-mulrcl 11300  ax-mulcom 11301  ax-addass 11302  ax-mulass 11303  ax-distr 11304  ax-i2m1 11305  ax-1ne0 11306  ax-1rid 11307  ax-rnegex 11308  ax-rrecex 11309  ax-cnre 11310  ax-pre-lttri 11311  ax-pre-lttrn 11312  ax-pre-ltadd 11313  ax-pre-mulgt0 11314  ax-pre-sup 11315  ax-addf 11316
This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2102  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2839  df-nfc 2913  df-ne 2960  df-nel 3066  df-ral 3081  df-rex 3091  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3456  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-ss 3901  df-pss 4017  df-dif 4050  df-in 4094  df-un 4154  df-symdif 4201  df-nul 4282  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4589  df-pr 4591  df-tp 4593  df-op 4839  df-uni 4871  df-int 4911  df-iun 4956  df-iin 4957  df-disj 5074  df-br 5107  df-opab 5172  df-mpt 5191  df-tr 5217  df-id 5551  df-eprel 5556  df-po 5564  df-so 5565  df-fr 5609  df-se 5610  df-we 5611  df-xp 5662  df-rel 5663  df-cnv 5664  df-co 5665  df-dm 5666  df-rn 5667  df-res 5668  df-ima 5669  df-pred 6328  df-ord 6389  df-on 6390  df-lim 6391  df-suc 6392  df-iota 6518  df-fun 6566  df-fn 6567  df-f 6568  df-f1 6569  df-fo 6570  df-f1o 6571  df-fv 6572  df-isom 6573  df-riota 7406  df-ov 7452  df-oprab 7453  df-mpo 7454  df-of 7723  df-ofr 7724  df-om 7910  df-1st 8033  df-2nd 8034  df-supp 8213  df-frecs 8335  df-wrecs 8366  df-recs 8415  df-rdg 8454  df-1o 8512  df-2o 8513  df-oadd 8516  df-omul 8517  df-er 8753  df-map 8885  df-pm 8886  df-ixp 8962  df-en 9010  df-dom 9011  df-sdom 9012  df-fin 9013  df-fsupp 9390  df-fi 9438  df-sup 9469  df-inf 9470  df-oi 9539  df-dju 10017  df-card 10055  df-acn 10058  df-pnf 11382  df-mnf 11383  df-xr 11384  df-ltxr 11385  df-le 11386  df-sub 11580  df-neg 11581  df-div 12012  df-nn 12374  df-2 12443  df-3 12444  df-4 12445  df-5 12446  df-6 12447  df-7 12448  df-8 12449  df-9 12450  df-n0 12645  df-xnn0 12718  df-z 12732  df-dec 12853  df-uz 13004  df-q 13114  df-rp 13159  df-xneg 13279  df-xadd 13280  df-xmul 13281  df-ioo 13518  df-ioc 13519  df-ico 13520  df-icc 13521  df-fz 13678  df-fzo 13827  df-fl 13970  df-mod 14048  df-seq 14183  df-exp 14243  df-fac 14457  df-bc 14486  df-hash 14514  df-shft 15261  df-cj 15307  df-re 15308  df-im 15309  df-sqrt 15443  df-abs 15444  df-limsup 15679  df-clim 15696  df-rlim 15697  df-sum 15895  df-ef 16274  df-sin 16276  df-cos 16277  df-pi 16279  df-struct 17366  df-sets 17383  df-slot 17401  df-ndx 17413  df-base 17429  df-ress 17450  df-plusg 17482  df-mulr 17483  df-starv 17484  df-sca 17485  df-vsca 17486  df-ip 17487  df-tset 17488  df-ple 17489  df-ds 17491  df-unif 17492  df-hom 17493  df-cco 17494  df-rest 17634  df-topn 17635  df-0g 17653  df-gsum 17654  df-topgen 17655  df-pt 17656  df-prds 17659  df-xrs 17715  df-qtop 17720  df-imas 17721  df-xps 17723  df-mre 17797  df-mrc 17798  df-acs 17800  df-mgm 18857  df-sgrp 18949  df-mnd 18965  df-submnd 19020  df-mulg 19319  df-cntz 19573  df-cmn 20038  df-psmet 21712  df-xmet 21713  df-met 21714  df-bl 21715  df-mopn 21716  df-fbas 21717  df-fg 21718  df-cnfld 21721  df-top 23256  df-topon 23273  df-topsp 23295  df-bases 23308  df-cld 23381  df-ntr 23382  df-cls 23383  df-nei 23460  df-lp 23498  df-perf 23499  df-cn 23589  df-cnp 23590  df-t1 23676  df-haus 23677  df-cmp 23749  df-tx 23925  df-hmeo 24118  df-fil 24209  df-fm 24301  df-flim 24302  df-flf 24303  df-xms 24683  df-ms 24684  df-tms 24685  df-cncf 25243  df-ovol 25829  df-vol 25830  df-mbf 25984  df-itg1 25985  df-itg2 25986  df-ibl 25987  df-itg 25988  df-0p 26035  df-ditg 26211  df-limc 26230  df-dv 26231
This theorem is used by: (None)
  Copyright terms: Public domain W3C validator