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

Theorem fouriercnp 43269
Description: If 𝐹 is continuous at the point 𝑋, then its Fourier series at 𝑋, converges to (𝐹𝑋). (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019.)
Hypotheses
Ref Expression
fouriercnp.f (𝜑𝐹:ℝ⟶ℝ)
fouriercnp.t 𝑇 = (2 · π)
fouriercnp.per ((𝜑𝑥 ∈ ℝ) → (𝐹‘(𝑥 + 𝑇)) = (𝐹𝑥))
fouriercnp.g 𝐺 = ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
fouriercnp.dmdv (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
fouriercnp.dvcn (𝜑𝐺 ∈ (dom 𝐺cn→ℂ))
fouriercnp.rlim ((𝜑𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) lim 𝑥) ≠ ∅)
fouriercnp.llim ((𝜑𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) lim 𝑥) ≠ ∅)
fouriercnp.j 𝐽 = (topGen‘ran (,))
fouriercnp.cnp (𝜑𝐹 ∈ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋))
fouriercnp.a 𝐴 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹𝑥) · (cos‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
fouriercnp.b 𝐵 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹𝑥) · (sin‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
Assertion
Ref Expression
fouriercnp (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (𝐹𝑋))
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
StepHypRef Expression
1 fouriercnp.f . . 3 (𝜑𝐹:ℝ⟶ℝ)
2 fouriercnp.t . . 3 𝑇 = (2 · π)
3 fouriercnp.per . . 3 ((𝜑𝑥 ∈ ℝ) → (𝐹‘(𝑥 + 𝑇)) = (𝐹𝑥))
4 fouriercnp.g . . 3 𝐺 = ((ℝ D 𝐹) ↾ (-π(,)π))
5 fouriercnp.dmdv . . 3 (𝜑 → ((-π(,)π) ∖ dom 𝐺) ∈ Fin)
6 fouriercnp.dvcn . . 3 (𝜑𝐺 ∈ (dom 𝐺cn→ℂ))
7 fouriercnp.rlim . . 3 ((𝜑𝑥 ∈ ((-π[,)π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (𝑥(,)+∞)) lim 𝑥) ≠ ∅)
8 fouriercnp.llim . . 3 ((𝜑𝑥 ∈ ((-π(,]π) ∖ dom 𝐺)) → ((𝐺 ↾ (-∞(,)𝑥)) lim 𝑥) ≠ ∅)
9 fouriercnp.cnp . . . 4 (𝜑𝐹 ∈ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋))
10 uniretop 23477 . . . . . 6 ℝ = (topGen‘ran (,))
11 fouriercnp.j . . . . . . 7 𝐽 = (topGen‘ran (,))
1211unieqi 4814 . . . . . 6 𝐽 = (topGen‘ran (,))
1310, 12eqtr4i 2784 . . . . 5 ℝ = 𝐽
1413cnprcl 21958 . . . 4 (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) → 𝑋 ∈ ℝ)
159, 14syl 17 . . 3 (𝜑𝑋 ∈ ℝ)
16 limcresi 24597 . . . 4 (𝐹 lim 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) lim 𝑋)
17 eqid 2758 . . . . . . . . . . . 12 (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
1817tgioo2 23517 . . . . . . . . . . 11 (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
1911, 18eqtri 2781 . . . . . . . . . 10 𝐽 = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
2019oveq2i 7167 . . . . . . . . 9 (𝐽 CnP 𝐽) = (𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))
2120fveq1i 6664 . . . . . . . 8 ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) = ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)
229, 21eleqtrdi 2862 . . . . . . 7 (𝜑𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋))
2317cnfldtop 23498 . . . . . . . . 9 (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top
2423a1i 11 . . . . . . . 8 (𝜑 → (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top)
25 ax-resscn 10645 . . . . . . . . 9 ℝ ⊆ ℂ
2625a1i 11 . . . . . . . 8 (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
27 unicntop 23500 . . . . . . . . 9 ℂ = (TopOpen‘ℂfld)
2813, 27cnprest2 22003 . . . . . . . 8 (((TopOpen‘ℂfld) ∈ Top ∧ 𝐹:ℝ⟶ℝ ∧ ℝ ⊆ ℂ) → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)))
2924, 1, 26, 28syl3anc 1368 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)))
3022, 29mpbird 260 . . . . . 6 (𝜑𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋))
3117, 19cnplimc 24599 . . . . . . 7 ((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝑋 ∈ ℝ) → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹𝑋) ∈ (𝐹 lim 𝑋))))
3225, 15, 31sylancr 590 . . . . . 6 (𝜑 → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹𝑋) ∈ (𝐹 lim 𝑋))))
3330, 32mpbid 235 . . . . 5 (𝜑 → (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹𝑋) ∈ (𝐹 lim 𝑋)))
3433simprd 499 . . . 4 (𝜑 → (𝐹𝑋) ∈ (𝐹 lim 𝑋))
3516, 34sseldi 3892 . . 3 (𝜑 → (𝐹𝑋) ∈ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) lim 𝑋))
36 limcresi 24597 . . . 4 (𝐹 lim 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (𝑋(,)+∞)) lim 𝑋)
3736, 34sseldi 3892 . . 3 (𝜑 → (𝐹𝑋) ∈ ((𝐹 ↾ (𝑋(,)+∞)) lim 𝑋))
38 fouriercnp.a . . 3 𝐴 = (𝑛 ∈ ℕ0 ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹𝑥) · (cos‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
39 fouriercnp.b . . 3 𝐵 = (𝑛 ∈ ℕ ↦ (∫(-π(,)π)((𝐹𝑥) · (sin‘(𝑛 · 𝑥))) d𝑥 / π))
401, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 15, 35, 37, 38, 39fourierd 43265 . 2 (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (((𝐹𝑋) + (𝐹𝑋)) / 2))
411, 15ffvelrnd 6849 . . . . . 6 (𝜑 → (𝐹𝑋) ∈ ℝ)
4241recnd 10720 . . . . 5 (𝜑 → (𝐹𝑋) ∈ ℂ)
43422timesd 11930 . . . 4 (𝜑 → (2 · (𝐹𝑋)) = ((𝐹𝑋) + (𝐹𝑋)))
4443eqcomd 2764 . . 3 (𝜑 → ((𝐹𝑋) + (𝐹𝑋)) = (2 · (𝐹𝑋)))
4544oveq1d 7171 . 2 (𝜑 → (((𝐹𝑋) + (𝐹𝑋)) / 2) = ((2 · (𝐹𝑋)) / 2))
46 2cnd 11765 . . 3 (𝜑 → 2 ∈ ℂ)
47 2ne0 11791 . . . 4 2 ≠ 0
4847a1i 11 . . 3 (𝜑 → 2 ≠ 0)
4942, 46, 48divcan3d 11472 . 2 (𝜑 → ((2 · (𝐹𝑋)) / 2) = (𝐹𝑋))
5040, 45, 493eqtrd 2797 1 (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (𝐹𝑋))
Colors of variables: wff setvar class
Syntax hints:  wi 4  wb 209  wa 399   = wceq 1538  wcel 2111  wne 2951  cdif 3857  wss 3860  c0 4227   cuni 4801  cmpt 5116  dom cdm 5528  ran crn 5529  cres 5530  wf 6336  cfv 6340  (class class class)co 7156  Fincfn 8540  cc 10586  cr 10587  0cc0 10588   + caddc 10591   · cmul 10593  +∞cpnf 10723  -∞cmnf 10724  -cneg 10922   / cdiv 11348  cn 11687  2c2 11742  0cn0 11947  (,)cioo 12792  (,]cioc 12793  [,)cico 12794  Σcsu 15103  sincsin 15478  cosccos 15479  πcpi 15481  t crest 16765  TopOpenctopn 16766  topGenctg 16782  fldccnfld 20179  Topctop 21606   CnP ccnp 21938  cnccncf 23590  citg 24331   lim climc 24574   D cdv 24575
This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1911  ax-6 1970  ax-7 2015  ax-8 2113  ax-9 2121  ax-10 2142  ax-11 2158  ax-12 2175  ax-ext 2729  ax-rep 5160  ax-sep 5173  ax-nul 5180  ax-pow 5238  ax-pr 5302  ax-un 7465  ax-inf2 9150  ax-cc 9908  ax-cnex 10644  ax-resscn 10645  ax-1cn 10646  ax-icn 10647  ax-addcl 10648  ax-addrcl 10649  ax-mulcl 10650  ax-mulrcl 10651  ax-mulcom 10652  ax-addass 10653  ax-mulass 10654  ax-distr 10655  ax-i2m1 10656  ax-1ne0 10657  ax-1rid 10658  ax-rnegex 10659  ax-rrecex 10660  ax-cnre 10661  ax-pre-lttri 10662  ax-pre-lttrn 10663  ax-pre-ltadd 10664  ax-pre-mulgt0 10665  ax-pre-sup 10666  ax-addf 10667  ax-mulf 10668
This theorem depends on definitions:  df-bi 210  df-an 400  df-or 845  df-3or 1085  df-3an 1086  df-tru 1541  df-fal 1551  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2070  df-mo 2557  df-eu 2588  df-clab 2736  df-cleq 2750  df-clel 2830  df-nfc 2901  df-ne 2952  df-nel 3056  df-ral 3075  df-rex 3076  df-reu 3077  df-rmo 3078  df-rab 3079  df-v 3411  df-sbc 3699  df-csb 3808  df-dif 3863  df-un 3865  df-in 3867  df-ss 3877  df-pss 3879  df-symdif 4149  df-nul 4228  df-if 4424  df-pw 4499  df-sn 4526  df-pr 4528  df-tp 4530  df-op 4532  df-uni 4802  df-int 4842  df-iun 4888  df-iin 4889  df-disj 5002  df-br 5037  df-opab 5099  df-mpt 5117  df-tr 5143  df-id 5434  df-eprel 5439  df-po 5447  df-so 5448  df-fr 5487  df-se 5488  df-we 5489  df-xp 5534  df-rel 5535  df-cnv 5536  df-co 5537  df-dm 5538  df-rn 5539  df-res 5540  df-ima 5541  df-pred 6131  df-ord 6177  df-on 6178  df-lim 6179  df-suc 6180  df-iota 6299  df-fun 6342  df-fn 6343  df-f 6344  df-f1 6345  df-fo 6346  df-f1o 6347  df-fv 6348  df-isom 6349  df-riota 7114  df-ov 7159  df-oprab 7160  df-mpo 7161  df-of 7411  df-ofr 7412  df-om 7586  df-1st 7699  df-2nd 7700  df-supp 7842  df-wrecs 7963  df-recs 8024  df-rdg 8062  df-1o 8118  df-2o 8119  df-oadd 8122  df-omul 8123  df-er 8305  df-map 8424  df-pm 8425  df-ixp 8493  df-en 8541  df-dom 8542  df-sdom 8543  df-fin 8544  df-fsupp 8880  df-fi 8921  df-sup 8952  df-inf 8953  df-oi 9020  df-dju 9376  df-card 9414  df-acn 9417  df-pnf 10728  df-mnf 10729  df-xr 10730  df-ltxr 10731  df-le 10732  df-sub 10923  df-neg 10924  df-div 11349  df-nn 11688  df-2 11750  df-3 11751  df-4 11752  df-5 11753  df-6 11754  df-7 11755  df-8 11756  df-9 11757  df-n0 11948  df-xnn0 12020  df-z 12034  df-dec 12151  df-uz 12296  df-q 12402  df-rp 12444  df-xneg 12561  df-xadd 12562  df-xmul 12563  df-ioo 12796  df-ioc 12797  df-ico 12798  df-icc 12799  df-fz 12953  df-fzo 13096  df-fl 13224  df-mod 13300  df-seq 13432  df-exp 13493  df-fac 13697  df-bc 13726  df-hash 13754  df-shft 14487  df-cj 14519  df-re 14520  df-im 14521  df-sqrt 14655  df-abs 14656  df-limsup 14889  df-clim 14906  df-rlim 14907  df-sum 15104  df-ef 15482  df-sin 15484  df-cos 15485  df-pi 15487  df-struct 16556  df-ndx 16557  df-slot 16558  df-base 16560  df-sets 16561  df-ress 16562  df-plusg 16649  df-mulr 16650  df-starv 16651  df-sca 16652  df-vsca 16653  df-ip 16654  df-tset 16655  df-ple 16656  df-ds 16658  df-unif 16659  df-hom 16660  df-cco 16661  df-rest 16767  df-topn 16768  df-0g 16786  df-gsum 16787  df-topgen 16788  df-pt 16789  df-prds 16792  df-xrs 16846  df-qtop 16851  df-imas 16852  df-xps 16854  df-mre 16928  df-mrc 16929  df-acs 16931  df-mgm 17931  df-sgrp 17980  df-mnd 17991  df-submnd 18036  df-mulg 18305  df-cntz 18527  df-cmn 18988  df-psmet 20171  df-xmet 20172  df-met 20173  df-bl 20174  df-mopn 20175  df-fbas 20176  df-fg 20177  df-cnfld 20180  df-top 21607  df-topon 21624  df-topsp 21646  df-bases 21659  df-cld 21732  df-ntr 21733  df-cls 21734  df-nei 21811  df-lp 21849  df-perf 21850  df-cn 21940  df-cnp 21941  df-t1 22027  df-haus 22028  df-cmp 22100  df-tx 22275  df-hmeo 22468  df-fil 22559  df-fm 22651  df-flim 22652  df-flf 22653  df-xms 23035  df-ms 23036  df-tms 23037  df-cncf 23592  df-ovol 24177  df-vol 24178  df-mbf 24332  df-itg1 24333  df-itg2 24334  df-ibl 24335  df-itg 24336  df-0p 24383  df-ditg 24559  df-limc 24578  df-dv 24579
This theorem is referenced by:  fouriercn  43275
  Copyright terms: Public domain W3C validator