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 47235
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
StepHypRef 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 25081 . . . . . 6 ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
11 fouriercnp.j . . . . . . 7 𝐽 = (topGen‘ran (,))
1211unieqi 4879 . . . . . 6 ∪ 𝐽 = ∪ (topGen‘ran (,))
1310, 12eqtr4i 2787 . . . . 5 ℝ = ∪ 𝐽
1413cnprcl 23563 . . . 4 (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) → 𝑋 ∈ ℝ)
159, 14syl 18 . . 3 (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
16 limcresi 26205 . . . 4 (𝐹 limℂ 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) limℂ 𝑋)
17 tgioo4 25124 . . . . . . . . . . 11 (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
1811, 17eqtri 2784 . . . . . . . . . 10 𝐽 = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
1918oveq2i 7431 . . . . . . . . 9 (𝐽 CnP 𝐽) = (𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))
2019fveq1i 6886 . . . . . . . 8 ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) = ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)
219, 20eleqtrdi 2871 . . . . . . 7 (𝜑 → 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋))
22 eqid 2761 . . . . . . . . . 10 (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
2322cnfldtop 25102 . . . . . . . . 9 (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top
2423a1i 11 . . . . . . . 8 (𝜑 → (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top)
25 ax-resscn 11257 . . . . . . . . 9 ℝ ⊆ ℂ
2625a1i 11 . . . . . . . 8 (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
27 unicntop 25104 . . . . . . . . 9 ℂ = ∪ (TopOpen‘ℂfld)
2813, 27cnprest2 23608 . . . . . . . 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 1398 . . . . . . 7 (𝜑 → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)))
3021, 29mpbird 260 . . . . . 6 (𝜑 → 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋))
3122, 18cnplimc 26207 . . . . . . 7 ((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝑋 ∈ ℝ) → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋))))
3225, 15, 31sylancr 599 . . . . . 6 (𝜑 → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋))))
3330, 32mpbid 235 . . . . 5 (𝜑 → (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋)))
3433simprd 501 . . . 4 (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋))
3516, 34sselid 3929 . . 3 (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) limℂ 𝑋))
36 limcresi 26205 . . . 4 (𝐹 limℂ 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (𝑋(,)+∞)) limℂ 𝑋)
3736, 34sselid 3929 . . 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))
401, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 15, 35, 37, 38, 39fourierd 47231 . 2 (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴‘𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵‘𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) / 2))
411, 15ffvelcdmd 7085 . . . . . 6 (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ℝ)
4241recnd 11337 . . . . 5 (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ℂ)
43422timesd 12589 . . . 4 (𝜑 → (2 · (𝐹‘𝑋)) = ((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)))
4443eqcomd 2767 . . 3 (𝜑 → ((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) = (2 · (𝐹‘𝑋)))
4544oveq1d 7435 . 2 (𝜑 → (((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) / 2) = ((2 · (𝐹‘𝑋)) / 2))
46 2cnd 12421 . . 3 (𝜑 → 2 ∈ ℂ)
47 2ne0 12449 . . . 4 2 ≠ 0
4847a1i 11 . . 3 (𝜑 → 2 ≠ 0)
4942, 46, 48divcan3d 12098 . 2 (𝜑 → ((2 · (𝐹‘𝑋)) / 2) = (𝐹‘𝑋))
5040, 45, 493eqtrd 2800 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 2145   ≠ wne 2956   ∖ cdif 3896   ⊆ wss 3899  ∅c0 4279  ∪ cuni 4867   ↦ cmpt 5186  dom cdm 5651  ran crn 5652   ↾ cres 5653  ⟶wf 6534  ‘cfv 6538  (class class class)co 7420  Fincfn 8973  ℂcc 11198  ℝcr 11199  0cc0 11200   + caddc 11203   · cmul 11205  +∞cpnf 11340  -∞cmnf 11341   -cneg 11542   / cdiv 11973  ℕcn 12335  2c2 12397  ℕ0cn0 12606  (,)cioo 13476  (,]cioc 13477  [,)cico 13478  Σcsu 15853  sincsin 16229  cosccos 16230  πcpi 16232   ↾t crest 17591  TopOpenctopn 17592  topGenctg 17608  ℂfldccnfld 21678  Topctop 23211   CnP ccnp 23543  –cn→ccncf 25197  ∫citg 25939   limℂ climc 26182   D cdv 26183
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 1943  ax-6 2000  ax-7 2041  ax-8 2147  ax-9 2155  ax-10 2178  ax-11 2194  ax-12 2213  ax-ext 2733  ax-rep 5232  ax-sep 5249  ax-nul 5260  ax-pow 5327  ax-pr 5391  ax-un 7751  ax-inf2 9642  ax-cc 10513  ax-cnex 11256  ax-resscn 11257  ax-1cn 11258  ax-icn 11259  ax-addcl 11260  ax-addrcl 11261  ax-mulcl 11262  ax-mulrcl 11263  ax-mulcom 11264  ax-addass 11265  ax-mulass 11266  ax-distr 11267  ax-i2m1 11268  ax-1ne0 11269  ax-1rid 11270  ax-rnegex 11271  ax-rrecex 11272  ax-cnre 11273  ax-pre-lttri 11274  ax-pre-lttrn 11275  ax-pre-ltadd 11276  ax-pre-mulgt0 11277  ax-pre-sup 11278  ax-addf 11279
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 2100  df-mo 2565  df-eu 2595  df-clab 2740  df-cleq 2753  df-clel 2836  df-nfc 2910  df-ne 2957  df-nel 3063  df-ral 3078  df-rex 3088  df-rmo 3366  df-reu 3367  df-rab 3414  df-v 3453  df-sbc 3740  df-csb 3848  df-dif 3902  df-un 3904  df-in 3906  df-ss 3916  df-pss 3919  df-symdif 4199  df-nul 4280  df-if 4483  df-pw 4559  df-sn 4585  df-pr 4587  df-tp 4589  df-op 4591  df-uni 4868  df-int 4908  df-iun 4953  df-iin 4954  df-disj 5071  df-br 5104  df-opab 5168  df-mpt 5187  df-tr 5213  df-id 5546  df-eprel 5551  df-po 5559  df-so 5560  df-fr 5604  df-se 5605  df-we 5606  df-xp 5657  df-rel 5658  df-cnv 5659  df-co 5660  df-dm 5661  df-rn 5662  df-res 5663  df-ima 5664  df-pred 6304  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6494  df-fun 6540  df-fn 6541  df-f 6542  df-f1 6543  df-fo 6544  df-f1o 6545  df-fv 6546  df-isom 6547  df-riota 7377  df-ov 7423  df-oprab 7424  df-mpo 7425  df-of 7693  df-ofr 7694  df-om 7878  df-1st 8001  df-2nd 8002  df-supp 8178  df-frecs 8299  df-wrecs 8330  df-recs 8379  df-rdg 8418  df-1o 8476  df-2o 8477  df-oadd 8480  df-omul 8481  df-er 8717  df-map 8849  df-pm 8850  df-ixp 8926  df-en 8974  df-dom 8975  df-sdom 8976  df-fin 8977  df-fsupp 9354  df-fi 9403  df-sup 9434  df-inf 9435  df-oi 9504  df-dju 9982  df-card 10020  df-acn 10023  df-pnf 11345  df-mnf 11346  df-xr 11347  df-ltxr 11348  df-le 11349  df-sub 11543  df-neg 11544  df-div 11974  df-nn 12336  df-2 12405  df-3 12406  df-4 12407  df-5 12408  df-6 12409  df-7 12410  df-8 12411  df-9 12412  df-n0 12607  df-xnn0 12680  df-z 12694  df-dec 12815  df-uz 12966  df-q 13076  df-rp 13121  df-xneg 13241  df-xadd 13242  df-xmul 13243  df-ioo 13480  df-ioc 13481  df-ico 13482  df-icc 13483  df-fz 13640  df-fzo 13789  df-fl 13932  df-mod 14010  df-seq 14145  df-exp 14205  df-fac 14418  df-bc 14447  df-hash 14475  df-shft 15220  df-cj 15266  df-re 15267  df-im 15268  df-sqrt 15402  df-abs 15403  df-limsup 15638  df-clim 15655  df-rlim 15656  df-sum 15854  df-ef 16233  df-sin 16235  df-cos 16236  df-pi 16238  df-struct 17325  df-sets 17342  df-slot 17360  df-ndx 17372  df-base 17388  df-ress 17409  df-plusg 17441  df-mulr 17442  df-starv 17443  df-sca 17444  df-vsca 17445  df-ip 17446  df-tset 17447  df-ple 17448  df-ds 17450  df-unif 17451  df-hom 17452  df-cco 17453  df-rest 17593  df-topn 17594  df-0g 17612  df-gsum 17613  df-topgen 17614  df-pt 17615  df-prds 17618  df-xrs 17674  df-qtop 17679  df-imas 17680  df-xps 17682  df-mre 17756  df-mrc 17757  df-acs 17759  df-mgm 18816  df-sgrp 18908  df-mnd 18924  df-submnd 18979  df-mulg 19278  df-cntz 19531  df-cmn 19996  df-psmet 21670  df-xmet 21671  df-met 21672  df-bl 21673  df-mopn 21674  df-fbas 21675  df-fg 21676  df-cnfld 21679  df-top 23212  df-topon 23229  df-topsp 23251  df-bases 23264  df-cld 23337  df-ntr 23338  df-cls 23339  df-nei 23416  df-lp 23454  df-perf 23455  df-cn 23545  df-cnp 23546  df-t1 23632  df-haus 23633  df-cmp 23705  df-tx 23881  df-hmeo 24074  df-fil 24165  df-fm 24257  df-flim 24258  df-flf 24259  df-xms 24639  df-ms 24640  df-tms 24641  df-cncf 25199  df-ovol 25785  df-vol 25786  df-mbf 25940  df-itg1 25941  df-itg2 25942  df-ibl 25943  df-itg 25944  df-0p 25991  df-ditg 26167  df-limc 26186  df-dv 26187
This theorem is used by:  fouriercn  47241
  Copyright terms: Public domain W3C validator