Theorem fouriercnp 45021

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 24286	. . . . . 6 ⊢ ℝ = ∪ (topGen‘ran (,))
11		fouriercnp.j	. . . . . . 7 ⊢ 𝐽 = (topGen‘ran (,))
12	11	unieqi 4921	. . . . . 6 ⊢ ∪ 𝐽 = ∪ (topGen‘ran (,))
13	10, 12	eqtr4i 2763	. . . . 5 ⊢ ℝ = ∪ 𝐽
14	13	cnprcl 22756	. . . 4 ⊢ (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) → 𝑋 ∈ ℝ)
15	9, 14	syl 17	. . 3 ⊢ (𝜑 → 𝑋 ∈ ℝ)
16		limcresi 25409	. . . 4 ⊢ (𝐹 limℂ 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) limℂ 𝑋)
17		eqid 2732	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (TopOpen‘ℂfld) = (TopOpen‘ℂfld)
18	17	tgioo2 24326	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (topGen‘ran (,)) = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
19	11, 18	eqtri 2760	. . . . . . . . . 10 ⊢ 𝐽 = ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ)
20	19	oveq2i 7422	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝐽 CnP 𝐽) = (𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))
21	20	fveq1i 6892	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝐽 CnP 𝐽)‘𝑋) = ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)
22	9, 21	eleqtrdi 2843	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋))
23	17	cnfldtop 24307	. . . . . . . . 9 ⊢ (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top
24	23	a1i 11	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → (TopOpen‘ℂfld) ∈ Top)
25		ax-resscn 11169	. . . . . . . . 9 ⊢ ℝ ⊆ ℂ
26	25	a1i 11	. . . . . . . 8 ⊢ (𝜑 → ℝ ⊆ ℂ)
27		unicntop 24309	. . . . . . . . 9 ⊢ ℂ = ∪ (TopOpen‘ℂfld)
28	13, 27	cnprest2 22801	. . . . . . . 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 1371	. . . . . . 7 ⊢ (𝜑 → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP ((TopOpen‘ℂfld) ↾t ℝ))‘𝑋)))
30	22, 29	mpbird 256	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → 𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋))
31	17, 19	cnplimc 25411	. . . . . . 7 ⊢ ((ℝ ⊆ ℂ ∧ 𝑋 ∈ ℝ) → (𝐹 ∈ ((𝐽 CnP (TopOpen‘ℂfld))‘𝑋) ↔ (𝐹:ℝ⟶ℂ ∧ (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋))))
32	25, 15, 31	sylancr 587	. . . . . 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 496	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ (𝐹 limℂ 𝑋))
35	16, 34	sselid 3980	. . 3 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ((𝐹 ↾ (-∞(,)𝑋)) limℂ 𝑋))
36		limcresi 25409	. . . 4 ⊢ (𝐹 limℂ 𝑋) ⊆ ((𝐹 ↾ (𝑋(,)+∞)) limℂ 𝑋)
37	36, 34	sselid 3980	. . 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 45017	. 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 7087	. . . . . 6 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ℝ)
42	41	recnd 11244	. . . . 5 ⊢ (𝜑 → (𝐹‘𝑋) ∈ ℂ)
43	42	2timesd 12457	. . . 4 ⊢ (𝜑 → (2 · (𝐹‘𝑋)) = ((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)))
44	43	eqcomd 2738	. . 3 ⊢ (𝜑 → ((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) = (2 · (𝐹‘𝑋)))
45	44	oveq1d 7426	. 2 ⊢ (𝜑 → (((𝐹‘𝑋) + (𝐹‘𝑋)) / 2) = ((2 · (𝐹‘𝑋)) / 2))
46		2cnd 12292	. . 3 ⊢ (𝜑 → 2 ∈ ℂ)
47		2ne0 12318	. . . 4 ⊢ 2 ≠ 0
48	47	a1i 11	. . 3 ⊢ (𝜑 → 2 ≠ 0)
49	42, 46, 48	divcan3d 11997	. 2 ⊢ (𝜑 → ((2 · (𝐹‘𝑋)) / 2) = (𝐹‘𝑋))
50	40, 45, 49	3eqtrd 2776	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 396   = wceq 1541   ∈ wcel 2106   ≠ wne 2940   ∖ cdif 3945   ⊆ wss 3948  ∅c0 4322  ∪ cuni 4908   ↦ cmpt 5231  dom cdm 5676  ran crn 5677   ↾ cres 5678  ⟶wf 6539  ‘cfv 6543  (class class class)co 7411  Fincfn 8941  ℂcc 11110  ℝcr 11111  0cc0 11112   + caddc 11115   · cmul 11117  +∞cpnf 11247  -∞cmnf 11248  -cneg 11447   / cdiv 11873  ℕcn 12214  2c2 12269  ℕ₀cn0 12474  (,)cioo 13326  (,]cioc 13327  [,)cico 13328  Σcsu 15634  sincsin 16009  cosccos 16010  πcpi 16012   ↾_t crest 17368  TopOpenctopn 17369  topGenctg 17385  ℂ_fldccnfld 20950  Topctop 22402   CnP ccnp 22736  –cn→ccncf 24399  ∫citg 25142   lim_ℂ climc 25386   D cdv 25387

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 1913  ax-6 1971  ax-7 2011  ax-8 2108  ax-9 2116  ax-10 2137  ax-11 2154  ax-12 2171  ax-ext 2703  ax-rep 5285  ax-sep 5299  ax-nul 5306  ax-pow 5363  ax-pr 5427  ax-un 7727  ax-inf2 9638  ax-cc 10432  ax-cnex 11168  ax-resscn 11169  ax-1cn 11170  ax-icn 11171  ax-addcl 11172  ax-addrcl 11173  ax-mulcl 11174  ax-mulrcl 11175  ax-mulcom 11176  ax-addass 11177  ax-mulass 11178  ax-distr 11179  ax-i2m1 11180  ax-1ne0 11181  ax-1rid 11182  ax-rnegex 11183  ax-rrecex 11184  ax-cnre 11185  ax-pre-lttri 11186  ax-pre-lttrn 11187  ax-pre-ltadd 11188  ax-pre-mulgt0 11189  ax-pre-sup 11190  ax-addf 11191  ax-mulf 11192

This theorem depends on definitions:  df-bi 206  df-an 397  df-or 846  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1544  df-fal 1554  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2068  df-mo 2534  df-eu 2563  df-clab 2710  df-cleq 2724  df-clel 2810  df-nfc 2885  df-ne 2941  df-nel 3047  df-ral 3062  df-rex 3071  df-rmo 3376  df-reu 3377  df-rab 3433  df-v 3476  df-sbc 3778  df-csb 3894  df-dif 3951  df-un 3953  df-in 3955  df-ss 3965  df-pss 3967  df-symdif 4242  df-nul 4323  df-if 4529  df-pw 4604  df-sn 4629  df-pr 4631  df-tp 4633  df-op 4635  df-uni 4909  df-int 4951  df-iun 4999  df-iin 5000  df-disj 5114  df-br 5149  df-opab 5211  df-mpt 5232  df-tr 5266  df-id 5574  df-eprel 5580  df-po 5588  df-so 5589  df-fr 5631  df-se 5632  df-we 5633  df-xp 5682  df-rel 5683  df-cnv 5684  df-co 5685  df-dm 5686  df-rn 5687  df-res 5688  df-ima 5689  df-pred 6300  df-ord 6367  df-on 6368  df-lim 6369  df-suc 6370  df-iota 6495  df-fun 6545  df-fn 6546  df-f 6547  df-f1 6548  df-fo 6549  df-f1o 6550  df-fv 6551  df-isom 6552  df-riota 7367  df-ov 7414  df-oprab 7415  df-mpo 7416  df-of 7672  df-ofr 7673  df-om 7858  df-1st 7977  df-2nd 7978  df-supp 8149  df-frecs 8268  df-wrecs 8299  df-recs 8373  df-rdg 8412  df-1o 8468  df-2o 8469  df-oadd 8472  df-omul 8473  df-er 8705  df-map 8824  df-pm 8825  df-ixp 8894  df-en 8942  df-dom 8943  df-sdom 8944  df-fin 8945  df-fsupp 9364  df-fi 9408  df-sup 9439  df-inf 9440  df-oi 9507  df-dju 9898  df-card 9936  df-acn 9939  df-pnf 11252  df-mnf 11253  df-xr 11254  df-ltxr 11255  df-le 11256  df-sub 11448  df-neg 11449  df-div 11874  df-nn 12215  df-2 12277  df-3 12278  df-4 12279  df-5 12280  df-6 12281  df-7 12282  df-8 12283  df-9 12284  df-n0 12475  df-xnn0 12547  df-z 12561  df-dec 12680  df-uz 12825  df-q 12935  df-rp 12977  df-xneg 13094  df-xadd 13095  df-xmul 13096  df-ioo 13330  df-ioc 13331  df-ico 13332  df-icc 13333  df-fz 13487  df-fzo 13630  df-fl 13759  df-mod 13837  df-seq 13969  df-exp 14030  df-fac 14236  df-bc 14265  df-hash 14293  df-shft 15016  df-cj 15048  df-re 15049  df-im 15050  df-sqrt 15184  df-abs 15185  df-limsup 15417  df-clim 15434  df-rlim 15435  df-sum 15635  df-ef 16013  df-sin 16015  df-cos 16016  df-pi 16018  df-struct 17082  df-sets 17099  df-slot 17117  df-ndx 17129  df-base 17147  df-ress 17176  df-plusg 17212  df-mulr 17213  df-starv 17214  df-sca 17215  df-vsca 17216  df-ip 17217  df-tset 17218  df-ple 17219  df-ds 17221  df-unif 17222  df-hom 17223  df-cco 17224  df-rest 17370  df-topn 17371  df-0g 17389  df-gsum 17390  df-topgen 17391  df-pt 17392  df-prds 17395  df-xrs 17450  df-qtop 17455  df-imas 17456  df-xps 17458  df-mre 17532  df-mrc 17533  df-acs 17535  df-mgm 18563  df-sgrp 18612  df-mnd 18628  df-submnd 18674  df-mulg 18953  df-cntz 19183  df-cmn 19652  df-psmet 20942  df-xmet 20943  df-met 20944  df-bl 20945  df-mopn 20946  df-fbas 20947  df-fg 20948  df-cnfld 20951  df-top 22403  df-topon 22420  df-topsp 22442  df-bases 22456  df-cld 22530  df-ntr 22531  df-cls 22532  df-nei 22609  df-lp 22647  df-perf 22648  df-cn 22738  df-cnp 22739  df-t1 22825  df-haus 22826  df-cmp 22898  df-tx 23073  df-hmeo 23266  df-fil 23357  df-fm 23449  df-flim 23450  df-flf 23451  df-xms 23833  df-ms 23834  df-tms 23835  df-cncf 24401  df-ovol 24988  df-vol 24989  df-mbf 25143  df-itg1 25144  df-itg2 25145  df-ibl 25146  df-itg 25147  df-0p 25194  df-ditg 25371  df-limc 25390  df-dv 25391

This theorem is referenced by:  fouriercn  45027