Theorem fouriercnp 44942

Description: If 𝐹 is continuous at the point 𝑋, then its Fourier series at 𝑋, converges to (𝐹‘𝑋). (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019.)

Hypotheses

Ref	Expression
fouriercnp.f	⊢ (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℝ)
fouriercnp.t	⊢ 𝑇 = (2 · π)
fouriercnp.per	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (𝐹‘(𝑥 + 𝑇)) = (𝐹‘𝑥))
fouriercnp.g	⊢ 𝐺 = ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
fouriercnp.dmdv	⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
fouriercnp.dvcn	⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ (dom 𝐺–cn→ℂ))
fouriercnp.rlim	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
fouriercnp.llim	⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
fouriercnp.j	⊢ 𝐽 = (topGen‘ran (,))
fouriercnp.cnp	⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋))
fouriercnp.a	⊢ 𝐴 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹‘𝑥) · (cos‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
fouriercnp.b	⊢ 𝐵 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹‘𝑥) · (sin‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))

Assertion

Ref	Expression
fouriercnp	⊢ (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)   𝐽(𝑥,𝑛)

Proof of Theorem fouriercnp

Step	Hyp	Ref	Expression
1		fouriercnp.f	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐹:ℝ⟶ℝ)
2		fouriercnp.t	. . 3 ⊢ 𝑇 = (2 · π)
3		fouriercnp.per	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ℝ) → (𝐹‘(𝑥 + 𝑇)) = (𝐹‘𝑥))
4		fouriercnp.g	. . 3 ⊢ 𝐺 = ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
5		fouriercnp.dmdv	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
6		fouriercnp.dvcn	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝐺 ∈ (dom 𝐺–cn→ℂ))
7		fouriercnp.rlim	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
8		fouriercnp.llim	. . 3 ⊢ ((𝜑 ∧ 𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) limℂ 𝑥) ≠ ∅)
9		fouriercnp.cnp	. . . 4 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋))
10		uniretop 24279	. . . . . 6 ⊢ ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
11		fouriercnp.j	. . . . . . 7 ⊢ 𝐽 = (topGen‘ran (,))
12	11	unieqi 4922	. . . . . 6 ⊢ ∪ 𝐽 = ∪ (topGen‘ran (,))
13	10, 12	eqtr4i 2764	. . . . 5 ⊢ ℝ = ∪ 𝐽
14	13	cnprcl 22749	. . . 4 ⊢ (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) → 𝑋 ∈ ℝ)
15	9, 14	syl 17	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
16		limcresi 25402	. . . 4 ⊢ (𝐹 limℂ 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) limℂ 𝑋)
17		eqid 2733	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
18	17	tgioo2 24319	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
19	11, 18	eqtri 2761	. . . . . . . . . 10 ⊢ 𝐽 = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
20	19	oveq2i 7420	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐽 CnP 𝐽) = (𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))
21	20	fveq1i 6893	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) = ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)
22	9, 21	eleqtrdi 2844	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋))
23	17	cnfldtop 24300	. . . . . . . . 9 ⊢ (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top
24	23	a1i 11	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top)
25		ax-resscn 11167	. . . . . . . . 9 ⊢ ℝ ⊆ ℂ
26	25	a1i 11	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
27		unicntop 24302	. . . . . . . . 9 ⊢ ℂ = ∪ (TopOpen‘ℂfld)
28	13, 27	cnprest2 22794	. . . . . . . 8 ⊢ (((TopOpen‘ℂfld) ∈ Top ∧ 𝐹:ℝ⟶ℝ ∧ ℝ ⊆ ℂ) → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)))
29	24, 1, 26, 28	syl3anc 1372	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)))
30	22, 29	mpbird 257	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋))
31	17, 19	cnplimc 25404	. . . . . . 7 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝑋 ∈ ℝ) → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋))))
32	25, 15, 31	sylancr 588	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋))))
33	30, 32	mpbid 231	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋)))
34	33	simprd 497	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋))
35	16, 34	sselid 3981	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) limℂ 𝑋))
36		limcresi 25402	. . . 4 ⊢ (𝐹 limℂ 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (𝑋(,)+∞)) limℂ 𝑋)
37	36, 34	sselid 3981	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ((𝐹 ↾ (𝑋(,)+∞)) limℂ 𝑋))
38		fouriercnp.a	. . 3 ⊢ 𝐴 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹‘𝑥) · (cos‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
39		fouriercnp.b	. . 3 ⊢ 𝐵 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹‘𝑥) · (sin‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
40	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 15, 35, 37, 38, 39	fourierd 44938	. 2 ⊢ (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴‘𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵‘𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) / 2))
41	1, 15	ffvelcdmd 7088	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ℝ)
42	41	recnd 11242	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ℂ)
43	42	2timesd 12455	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (2 · (𝐹‘𝑋)) = ((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)))
44	43	eqcomd 2739	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) = (2 · (𝐹‘𝑋)))
45	44	oveq1d 7424	. 2 ⊢ (𝜑 → (((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) / 2) = ((2 · (𝐹‘𝑋)) / 2))
46		2cnd 12290	. . 3 ⊢ (𝜑 → 2 ∈ ℂ)
47		2ne0 12316	. . . 4 ⊢ 2 ≠ 0
48	47	a1i 11	. . 3 ⊢ (𝜑 → 2 ≠ 0)
49	42, 46, 48	divcan3d 11995	. 2 ⊢ (𝜑 → ((2 · (𝐹‘𝑋)) / 2) = (𝐹‘𝑋))
50	40, 45, 49	3eqtrd 2777	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 397   = wceq 1542   ∈ wcel 2107   ≠ wne 2941   ∖ cdif 3946   ⊆ wss 3949  ∅c0 4323  ∪ cuni 4909   ↦ cmpt 5232  dom cdm 5677  ran crn 5678   ↾ cres 5679  ⟶wf 6540  ‘cfv 6544  (class class class)co 7409  Fincfn 8939  ℂcc 11108  ℝcr 11109  0cc0 11110   + caddc 11113   · cmul 11115  +∞cpnf 11245  -∞cmnf 11246  -cneg 11445   / cdiv 11871  ℕcn 12212  2c2 12267  ℕ₀cn0 12472  (,)cioo 13324  (,]cioc 13325  [,)cico 13326  Σcsu 15632  sincsin 16007  cosccos 16008  πcpi 16010   ↾_t crest 17366  TopOpenctopn 17367  topGenctg 17383  ℂ_fldccnfld 20944  Topctop 22395   CnP ccnp 22729  –cn→ccncf 24392  ∫citg 25135   lim_ℂ climc 25379   D cdv 25380

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1798  ax-4 1812  ax-5 1914  ax-6 1972  ax-7 2012  ax-8 2109  ax-9 2117  ax-10 2138  ax-11 2155  ax-12 2172  ax-ext 2704  ax-rep 5286  ax-sep 5300  ax-nul 5307  ax-pow 5364  ax-pr 5428  ax-un 7725  ax-inf2 9636  ax-cc 10430  ax-cnex 11166  ax-resscn 11167  ax-1cn 11168  ax-icn 11169  ax-addcl 11170  ax-addrcl 11171  ax-mulcl 11172  ax-mulrcl 11173  ax-mulcom 11174  ax-addass 11175  ax-mulass 11176  ax-distr 11177  ax-i2m1 11178  ax-1ne0 11179  ax-1rid 11180  ax-rnegex 11181  ax-rrecex 11182  ax-cnre 11183  ax-pre-lttri 11184  ax-pre-lttrn 11185  ax-pre-ltadd 11186  ax-pre-mulgt0 11187  ax-pre-sup 11188  ax-addf 11189  ax-mulf 11190

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 398  df-or 847  df-3or 1089  df-3an 1090  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1783  df-nf 1787  df-sb 2069  df-mo 2535  df-eu 2564  df-clab 2711  df-cleq 2725  df-clel 2811  df-nfc 2886  df-ne 2942  df-nel 3048  df-ral 3063  df-rex 3072  df-rmo 3377  df-reu 3378  df-rab 3434  df-v 3477  df-sbc 3779  df-csb 3895  df-dif 3952  df-un 3954  df-in 3956  df-ss 3966  df-pss 3968  df-symdif 4243  df-nul 4324  df-if 4530  df-pw 4605  df-sn 4630  df-pr 4632  df-tp 4634  df-op 4636  df-uni 4910  df-int 4952  df-iun 5000  df-iin 5001  df-disj 5115  df-br 5150  df-opab 5212  df-mpt 5233  df-tr 5267  df-id 5575  df-eprel 5581  df-po 5589  df-so 5590  df-fr 5632  df-se 5633  df-we 5634  df-xp 5683  df-rel 5684  df-cnv 5685  df-co 5686  df-dm 5687  df-rn 5688  df-res 5689  df-ima 5690  df-pred 6301  df-ord 6368  df-on 6369  df-lim 6370  df-suc 6371  df-iota 6496  df-fun 6546  df-fn 6547  df-f 6548  df-f1 6549  df-fo 6550  df-f1o 6551  df-fv 6552  df-isom 6553  df-riota 7365  df-ov 7412  df-oprab 7413  df-mpo 7414  df-of 7670  df-ofr 7671  df-om 7856  df-1st 7975  df-2nd 7976  df-supp 8147  df-frecs 8266  df-wrecs 8297  df-recs 8371  df-rdg 8410  df-1o 8466  df-2o 8467  df-oadd 8470  df-omul 8471  df-er 8703  df-map 8822  df-pm 8823  df-ixp 8892  df-en 8940  df-dom 8941  df-sdom 8942  df-fin 8943  df-fsupp 9362  df-fi 9406  df-sup 9437  df-inf 9438  df-oi 9505  df-dju 9896  df-card 9934  df-acn 9937  df-pnf 11250  df-mnf 11251  df-xr 11252  df-ltxr 11253  df-le 11254  df-sub 11446  df-neg 11447  df-div 11872  df-nn 12213  df-2 12275  df-3 12276  df-4 12277  df-5 12278  df-6 12279  df-7 12280  df-8 12281  df-9 12282  df-n0 12473  df-xnn0 12545  df-z 12559  df-dec 12678  df-uz 12823  df-q 12933  df-rp 12975  df-xneg 13092  df-xadd 13093  df-xmul 13094  df-ioo 13328  df-ioc 13329  df-ico 13330  df-icc 13331  df-fz 13485  df-fzo 13628  df-fl 13757  df-mod 13835  df-seq 13967  df-exp 14028  df-fac 14234  df-bc 14263  df-hash 14291  df-shft 15014  df-cj 15046  df-re 15047  df-im 15048  df-sqrt 15182  df-abs 15183  df-limsup 15415  df-clim 15432  df-rlim 15433  df-sum 15633  df-ef 16011  df-sin 16013  df-cos 16014  df-pi 16016  df-struct 17080  df-sets 17097  df-slot 17115  df-ndx 17127  df-base 17145  df-ress 17174  df-plusg 17210  df-mulr 17211  df-starv 17212  df-sca 17213  df-vsca 17214  df-ip 17215  df-tset 17216  df-ple 17217  df-ds 17219  df-unif 17220  df-hom 17221  df-cco 17222  df-rest 17368  df-topn 17369  df-0g 17387  df-gsum 17388  df-topgen 17389  df-pt 17390  df-prds 17393  df-xrs 17448  df-qtop 17453  df-imas 17454  df-xps 17456  df-mre 17530  df-mrc 17531  df-acs 17533  df-mgm 18561  df-sgrp 18610  df-mnd 18626  df-submnd 18672  df-mulg 18951  df-cntz 19181  df-cmn 19650  df-psmet 20936  df-xmet 20937  df-met 20938  df-bl 20939  df-mopn 20940  df-fbas 20941  df-fg 20942  df-cnfld 20945  df-top 22396  df-topon 22413  df-topsp 22435  df-bases 22449  df-cld 22523  df-ntr 22524  df-cls 22525  df-nei 22602  df-lp 22640  df-perf 22641  df-cn 22731  df-cnp 22732  df-t1 22818  df-haus 22819  df-cmp 22891  df-tx 23066  df-hmeo 23259  df-fil 23350  df-fm 23442  df-flim 23443  df-flf 23444  df-xms 23826  df-ms 23827  df-tms 23828  df-cncf 24394  df-ovol 24981  df-vol 24982  df-mbf 25136  df-itg1 25137  df-itg2 25138  df-ibl 25139  df-itg 25140  df-0p 25187  df-ditg 25364  df-limc 25383  df-dv 25384

This theorem is referenced by:  fouriercn  44948