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Theorem fourierdlem21

Description: The coefficients of the fourier series are integrable and reals. (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019)

Ref Expression
Hypotheses fourierdlem21.f ⊢ φ → F : ℝ ⟶ ℝ
fourierdlem21.c ⊢ C = − π π
fourierdlem21.fibl ⊢ φ → F ↾ C ∈ 𝐿 1
fourierdlem21.b ⊢ B = n ∈ ℕ ⟼ ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x dx π
fourierdlem21.n ⊢ φ → N ∈ ℕ
Assertion fourierdlem21 ⊢ φ → B ⁡ N ∈ ℝ ∧ x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x ∈ 𝐿 1 ∧ ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x dx ∈ ℝ

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fourierdlem21.f ⊢ φ → F : ℝ ⟶ ℝ
2 fourierdlem21.c ⊢ C = − π π
3 fourierdlem21.fibl ⊢ φ → F ↾ C ∈ 𝐿 1
4 fourierdlem21.b ⊢ B = n ∈ ℕ ⟼ ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x dx π
5 fourierdlem21.n ⊢ φ → N ∈ ℕ
6 nnnn0 ⊢ n ∈ ℕ → n ∈ ℕ 0
7 1 adantr ⊢ φ ∧ x ∈ C → F : ℝ ⟶ ℝ
8 ioossre ⊢ − π π ⊆ ℝ
9 id ⊢ x ∈ C → x ∈ C
10 9 2 eleqtrdi ⊢ x ∈ C → x ∈ − π π
11 8 10 sselid ⊢ x ∈ C → x ∈ ℝ
12 11 adantl ⊢ φ ∧ x ∈ C → x ∈ ℝ
13 7 12 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ x ∈ C → F ⁡ x ∈ ℝ
14 13 adantlr ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → F ⁡ x ∈ ℝ
15 nn0re ⊢ n ∈ ℕ 0 → n ∈ ℝ
16 15 adantr ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → n ∈ ℝ
17 11 adantl ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → x ∈ ℝ
18 16 17 remulcld ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → n ⁢ x ∈ ℝ
19 18 resincld ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → sin ⁡ n ⁢ x ∈ ℝ
20 19 adantll ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → sin ⁡ n ⁢ x ∈ ℝ
21 14 20 remulcld ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x ∈ ℝ
22 ioombl ⊢ − π π ∈ dom ⁡ vol
23 2 22 eqeltri ⊢ C ∈ dom ⁡ vol
24 23 a1i ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → C ∈ dom ⁡ vol
25 eqidd ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x = x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x
26 eqidd ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ F ⁡ x = x ∈ C ⟼ F ⁡ x
27 24 20 14 25 26 offval2 ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x × f x ∈ C ⟼ F ⁡ x = x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁢ F ⁡ x
28 20 recnd ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → sin ⁡ n ⁢ x ∈ ℂ
29 14 recnd ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → F ⁡ x ∈ ℂ
30 28 29 mulcomd ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 ∧ x ∈ C → sin ⁡ n ⁢ x ⁢ F ⁡ x = F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x
31 30 mpteq2dva ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁢ F ⁡ x = x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x
32 27 31 eqtr2d ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x = x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x × f x ∈ C ⟼ F ⁡ x
33 sincn ⊢ sin : ℂ ⟶cn ℂ
34 33 a1i ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → sin : ℂ ⟶cn ℂ
35 2 8 eqsstri ⊢ C ⊆ ℝ
36 ax-resscn ⊢ ℝ ⊆ ℂ
37 35 36 sstri ⊢ C ⊆ ℂ
38 37 a1i ⊢ n ∈ ℕ 0 → C ⊆ ℂ
39 15 recnd ⊢ n ∈ ℕ 0 → n ∈ ℂ
40 ssid ⊢ ℂ ⊆ ℂ
41 40 a1i ⊢ n ∈ ℕ 0 → ℂ ⊆ ℂ
42 38 39 41 constcncfg ⊢ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ n : C ⟶cn ℂ
43 38 41 idcncfg ⊢ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ x : C ⟶cn ℂ
44 42 43 mulcncf ⊢ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ n ⁢ x : C ⟶cn ℂ
45 44 adantl ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ n ⁢ x : C ⟶cn ℂ
46 34 45 cncfmpt1f ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x : C ⟶cn ℂ
47 cnmbf ⊢ C ∈ dom ⁡ vol ∧ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x : C ⟶cn ℂ → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ∈ MblFn
48 23 46 47 sylancr ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ∈ MblFn
49 1 feqmptd ⊢ φ → F = x ∈ ℝ ⟼ F ⁡ x
50 49 reseq1d ⊢ φ → F ↾ C = x ∈ ℝ ⟼ F ⁡ x ↾ C
51 resmpt ⊢ C ⊆ ℝ → x ∈ ℝ ⟼ F ⁡ x ↾ C = x ∈ C ⟼ F ⁡ x
52 35 51 mp1i ⊢ φ → x ∈ ℝ ⟼ F ⁡ x ↾ C = x ∈ C ⟼ F ⁡ x
53 50 52 eqtr2d ⊢ φ → x ∈ C ⟼ F ⁡ x = F ↾ C
54 53 3 eqeltrd ⊢ φ → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ∈ 𝐿 1
55 54 adantr ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ∈ 𝐿 1
56 1re ⊢ 1 ∈ ℝ
57 simpr ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x → y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x
58 nfv ⊢ Ⅎ x n ∈ ℕ 0
59 nfmpt1 ⊢ Ⅎ _ x x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x
60 59 nfdm ⊢ Ⅎ _ x dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x
61 60 nfcri ⊢ Ⅎ x y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x
62 58 61 nfan ⊢ Ⅎ x n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x
63 19 ex ⊢ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C → sin ⁡ n ⁢ x ∈ ℝ
64 63 adantr ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x → x ∈ C → sin ⁡ n ⁢ x ∈ ℝ
65 62 64 ralrimi ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x → ∀ x ∈ C sin ⁡ n ⁢ x ∈ ℝ
66 dmmptg ⊢ ∀ x ∈ C sin ⁡ n ⁢ x ∈ ℝ → dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x = C
67 65 66 syl ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x → dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x = C
68 57 67 eleqtrd ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x → y ∈ C
69 eqidd ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x = x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x
70 oveq2 ⊢ x = y → n ⁢ x = n ⁢ y
71 70 fveq2d ⊢ x = y → sin ⁡ n ⁢ x = sin ⁡ n ⁢ y
72 71 adantl ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C ∧ x = y → sin ⁡ n ⁢ x = sin ⁡ n ⁢ y
73 simpr ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → y ∈ C
74 15 adantr ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → n ∈ ℝ
75 35 73 sselid ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → y ∈ ℝ
76 74 75 remulcld ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → n ⁢ y ∈ ℝ
77 76 resincld ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → sin ⁡ n ⁢ y ∈ ℝ
78 69 72 73 77 fvmptd ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y = sin ⁡ n ⁢ y
79 78 fveq2d ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y = sin ⁡ n ⁢ y
80 abssinbd ⊢ n ⁢ y ∈ ℝ → sin ⁡ n ⁢ y ≤ 1
81 76 80 syl ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → sin ⁡ n ⁢ y ≤ 1
82 79 81 eqbrtrd ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ C → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ 1
83 68 82 syldan ⊢ n ∈ ℕ 0 ∧ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ 1
84 83 ralrimiva ⊢ n ∈ ℕ 0 → ∀ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ 1
85 breq2 ⊢ b = 1 → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ b ↔ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ 1
86 85 ralbidv ⊢ b = 1 → ∀ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ b ↔ ∀ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ 1
87 86 rspcev ⊢ 1 ∈ ℝ ∧ ∀ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ 1 → ∃ b ∈ ℝ ∀ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ b
88 56 84 87 sylancr ⊢ n ∈ ℕ 0 → ∃ b ∈ ℝ ∀ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ b
89 88 adantl ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → ∃ b ∈ ℝ ∀ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ b
90 bddmulibl ⊢ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ∈ MblFn ∧ x ∈ C ⟼ F ⁡ x ∈ 𝐿 1 ∧ ∃ b ∈ ℝ ∀ y ∈ dom ⁡ x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x ⁡ y ≤ b → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x × f x ∈ C ⟼ F ⁡ x ∈ 𝐿 1
91 48 55 89 90 syl3anc ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ sin ⁡ n ⁢ x × f x ∈ C ⟼ F ⁡ x ∈ 𝐿 1
92 32 91 eqeltrd ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x ∈ 𝐿 1
93 21 92 itgrecl ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ 0 → ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x dx ∈ ℝ
94 6 93 sylan2 ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ → ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x dx ∈ ℝ
95 pire ⊢ π ∈ ℝ
96 95 a1i ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ → π ∈ ℝ
97 0re ⊢ 0 ∈ ℝ
98 pipos ⊢ 0 < π
99 97 98 gtneii ⊢ π ≠ 0
100 99 a1i ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ → π ≠ 0
101 94 96 100 redivcld ⊢ φ ∧ n ∈ ℕ → ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x dx π ∈ ℝ
102 101 4 fmptd ⊢ φ → B : ℕ ⟶ ℝ
103 102 5 ffvelcdmd ⊢ φ → B ⁡ N ∈ ℝ
104 5 nnnn0d ⊢ φ → N ∈ ℕ 0
105 eleq1 ⊢ n = N → n ∈ ℕ 0 ↔ N ∈ ℕ 0
106 105 anbi2d ⊢ n = N → φ ∧ n ∈ ℕ 0 ↔ φ ∧ N ∈ ℕ 0
107 simpl ⊢ n = N ∧ x ∈ C → n = N
108 107 oveq1d ⊢ n = N ∧ x ∈ C → n ⁢ x = N ⁢ x
109 108 fveq2d ⊢ n = N ∧ x ∈ C → sin ⁡ n ⁢ x = sin ⁡ N ⁢ x
110 109 oveq2d ⊢ n = N ∧ x ∈ C → F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x = F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x
111 110 mpteq2dva ⊢ n = N → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x = x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x
112 111 eleq1d ⊢ n = N → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x ∈ 𝐿 1 ↔ x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x ∈ 𝐿 1
113 106 112 imbi12d ⊢ n = N → φ ∧ n ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x ∈ 𝐿 1 ↔ φ ∧ N ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x ∈ 𝐿 1
114 113 92 vtoclg ⊢ N ∈ ℕ 0 → φ ∧ N ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x ∈ 𝐿 1
115 114 anabsi7 ⊢ φ ∧ N ∈ ℕ 0 → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x ∈ 𝐿 1
116 104 115 mpdan ⊢ φ → x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x ∈ 𝐿 1
117 5 ancli ⊢ φ → φ ∧ N ∈ ℕ
118 eleq1 ⊢ n = N → n ∈ ℕ ↔ N ∈ ℕ
119 118 anbi2d ⊢ n = N → φ ∧ n ∈ ℕ ↔ φ ∧ N ∈ ℕ
120 110 itgeq2dv ⊢ n = N → ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x dx = ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x dx
121 120 eleq1d ⊢ n = N → ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x dx ∈ ℝ ↔ ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x dx ∈ ℝ
122 119 121 imbi12d ⊢ n = N → φ ∧ n ∈ ℕ → ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ n ⁢ x dx ∈ ℝ ↔ φ ∧ N ∈ ℕ → ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x dx ∈ ℝ
123 122 94 vtoclg ⊢ N ∈ ℕ → φ ∧ N ∈ ℕ → ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x dx ∈ ℝ
124 5 117 123 sylc ⊢ φ → ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x dx ∈ ℝ
125 103 116 124 jca31 ⊢ φ → B ⁡ N ∈ ℝ ∧ x ∈ C ⟼ F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x ∈ 𝐿 1 ∧ ∫ C F ⁡ x ⁢ sin ⁡ N ⁢ x dx ∈ ℝ