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 47378
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 25096 . . . . . 6 ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
11 fouriercnp.j . . . . . . 7 𝐽 = (topGen‘ran (,))
1211unieqi 4882 . . . . . 6 ∪ 𝐽 = ∪ (topGen‘ran (,))
1310, 12eqtr4i 2789 . . . . 5 ℝ = ∪ 𝐽
1413cnprcl 23578 . . . 4 (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) → 𝑋 ∈ ℝ)
159, 14syl 18 . . 3 (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
16 limcresi 26220 . . . 4 (𝐹 limℂ 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) limℂ 𝑋)
17 tgioo4 25139 . . . . . . . . . . 11 (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
1811, 17eqtri 2786 . . . . . . . . . 10 𝐽 = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
1918oveq2i 7441 . . . . . . . . 9 (𝐽 CnP 𝐽) = (𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))
2019fveq1i 6897 . . . . . . . 8 ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) = ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)
219, 20eleqtrdi 2874 . . . . . . 7 (𝜑 → 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋))
22 eqid 2763 . . . . . . . . . 10 (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
2322cnfldtop 25117 . . . . . . . . 9 (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top
2423a1i 11 . . . . . . . 8 (𝜑 → (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top)
25 ax-resscn 11270 . . . . . . . . 9 ℝ ⊆ ℂ
2625a1i 11 . . . . . . . 8 (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
27 unicntop 25119 . . . . . . . . 9 ℂ = ∪ (TopOpen‘ℂfld)
2813, 27cnprest2 23623 . . . . . . . 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 26222 . . . . . . 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 3911 . . 3 (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) limℂ 𝑋))
36 limcresi 26220 . . . 4 (𝐹 limℂ 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (𝑋(,)+∞)) limℂ 𝑋)
3736, 34sselid 3911 . . 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 47374 . 2 (𝜑 → (((𝐴‘0) / 2) + Σ𝑛 ∈ ℕ (((𝐴‘𝑛) · (cos‘(𝑛 · 𝑋))) + ((𝐵‘𝑛) · (sin‘(𝑛 · 𝑋))))) = (((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) / 2))
411, 15ffvelcdmd 7096 . . . . . 6 (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ℝ)
4241recnd 11350 . . . . 5 (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ℂ)
43422timesd 12602 . . . 4 (𝜑 → (2 · (𝐹‘𝑋)) = ((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)))
4443eqcomd 2769 . . 3 (𝜑 → ((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) = (2 · (𝐹‘𝑋)))
4544oveq1d 7445 . 2 (𝜑 → (((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) / 2) = ((2 · (𝐹‘𝑋)) / 2))
46 2cnd 12434 . . 3 (𝜑 → 2 ∈ ℂ)
47 2ne0 12462 . . . 4 2 ≠ 0
4847a1i 11 . . 3 (𝜑 → 2 ≠ 0)
4942, 46, 48divcan3d 12111 . 2 (𝜑 → ((2 · (𝐹‘𝑋)) / 2) = (𝐹‘𝑋))
5040, 45, 493eqtrd 2802 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 1569   ∈ wcel 2146   ≠ wne 2959   ⊆ wss 3900   ∖ cdif 4048  ∅c0 4281  ∪ cuni 4870   ↦ cmpt 5189  dom cdm 5655  ran crn 5656   ↾ cres 5657  ⟶wf 6543  ‘cfv 6547  (class class class)co 7430  Fincfn 8987  ℂcc 11211  ℝcr 11212  0cc0 11213   + caddc 11216   · cmul 11218  +∞cpnf 11353  -∞cmnf 11354   -cneg 11555   / cdiv 11986  ℕcn 12348  2c2 12410  ℕ0cn0 12619  (,)cioo 13489  (,]cioc 13490  [,)cico 13491  Σcsu 15868  sincsin 16244  cosccos 16245  πcpi 16247   ↾t crest 17606  TopOpenctopn 17607  topGenctg 17623  ℂfldccnfld 21693  Topctop 23226   CnP ccnp 23558  –cn→ccncf 25212  ∫citg 25954   limℂ climc 26197   D cdv 26198
This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1944  ax-6 2001  ax-7 2042  ax-8 2148  ax-9 2156  ax-10 2179  ax-11 2196  ax-12 2215  ax-ext 2735  ax-rep 5235  ax-sep 5252  ax-nul 5263  ax-pow 5331  ax-pr 5395  ax-un 7761  ax-inf2 9655  ax-cc 10526  ax-cnex 11269  ax-resscn 11270  ax-1cn 11271  ax-icn 11272  ax-addcl 11273  ax-addrcl 11274  ax-mulcl 11275  ax-mulrcl 11276  ax-mulcom 11277  ax-addass 11278  ax-mulass 11279  ax-distr 11280  ax-i2m1 11281  ax-1ne0 11282  ax-1rid 11283  ax-rnegex 11284  ax-rrecex 11285  ax-cnre 11286  ax-pre-lttri 11287  ax-pre-lttrn 11288  ax-pre-ltadd 11289  ax-pre-mulgt0 11290  ax-pre-sup 11291  ax-addf 11292
This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2101  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 5171  df-mpt 5190  df-tr 5216  df-id 5550  df-eprel 5555  df-po 5563  df-so 5564  df-fr 5608  df-se 5609  df-we 5610  df-xp 5661  df-rel 5662  df-cnv 5663  df-co 5664  df-dm 5665  df-rn 5666  df-res 5667  df-ima 5668  df-pred 6311  df-ord 6372  df-on 6373  df-lim 6374  df-suc 6375  df-iota 6501  df-fun 6549  df-fn 6550  df-f 6551  df-f1 6552  df-fo 6553  df-f1o 6554  df-fv 6555  df-isom 6556  df-riota 7387  df-ov 7433  df-oprab 7434  df-mpo 7435  df-of 7703  df-ofr 7704  df-om 7888  df-1st 8011  df-2nd 8012  df-supp 8191  df-frecs 8313  df-wrecs 8344  df-recs 8393  df-rdg 8432  df-1o 8490  df-2o 8491  df-oadd 8494  df-omul 8495  df-er 8731  df-map 8863  df-pm 8864  df-ixp 8940  df-en 8988  df-dom 8989  df-sdom 8990  df-fin 8991  df-fsupp 9368  df-fi 9416  df-sup 9447  df-inf 9448  df-oi 9517  df-dju 9995  df-card 10033  df-acn 10036  df-pnf 11358  df-mnf 11359  df-xr 11360  df-ltxr 11361  df-le 11362  df-sub 11556  df-neg 11557  df-div 11987  df-nn 12349  df-2 12418  df-3 12419  df-4 12420  df-5 12421  df-6 12422  df-7 12423  df-8 12424  df-9 12425  df-n0 12620  df-xnn0 12693  df-z 12707  df-dec 12828  df-uz 12979  df-q 13089  df-rp 13134  df-xneg 13254  df-xadd 13255  df-xmul 13256  df-ioo 13493  df-ioc 13494  df-ico 13495  df-icc 13496  df-fz 13653  df-fzo 13802  df-fl 13945  df-mod 14023  df-seq 14158  df-exp 14218  df-fac 14431  df-bc 14460  df-hash 14488  df-shft 15235  df-cj 15281  df-re 15282  df-im 15283  df-sqrt 15417  df-abs 15418  df-limsup 15653  df-clim 15670  df-rlim 15671  df-sum 15869  df-ef 16248  df-sin 16250  df-cos 16251  df-pi 16253  df-struct 17340  df-sets 17357  df-slot 17375  df-ndx 17387  df-base 17403  df-ress 17424  df-plusg 17456  df-mulr 17457  df-starv 17458  df-sca 17459  df-vsca 17460  df-ip 17461  df-tset 17462  df-ple 17463  df-ds 17465  df-unif 17466  df-hom 17467  df-cco 17468  df-rest 17608  df-topn 17609  df-0g 17627  df-gsum 17628  df-topgen 17629  df-pt 17630  df-prds 17633  df-xrs 17689  df-qtop 17694  df-imas 17695  df-xps 17697  df-mre 17771  df-mrc 17772  df-acs 17774  df-mgm 18831  df-sgrp 18923  df-mnd 18939  df-submnd 18994  df-mulg 19293  df-cntz 19546  df-cmn 20011  df-psmet 21685  df-xmet 21686  df-met 21687  df-bl 21688  df-mopn 21689  df-fbas 21690  df-fg 21691  df-cnfld 21694  df-top 23227  df-topon 23244  df-topsp 23266  df-bases 23279  df-cld 23352  df-ntr 23353  df-cls 23354  df-nei 23431  df-lp 23469  df-perf 23470  df-cn 23560  df-cnp 23561  df-t1 23647  df-haus 23648  df-cmp 23720  df-tx 23896  df-hmeo 24089  df-fil 24180  df-fm 24272  df-flim 24273  df-flf 24274  df-xms 24654  df-ms 24655  df-tms 24656  df-cncf 25214  df-ovol 25800  df-vol 25801  df-mbf 25955  df-itg1 25956  df-itg2 25957  df-ibl 25958  df-itg 25959  df-0p 26006  df-ditg 26182  df-limc 26201  df-dv 26202
This theorem is used by:  fouriercn  47384
  Copyright terms: Public domain W3C validator