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Theorem fourierdlem85

Description: Limit of the function G at the lower bounds of the partition intervals. (Contributed by Glauco Siliprandi, 11-Dec-2019)

Ref Expression
Hypotheses fourierdlem85.p ⊢ P = m ∈ ℕ ⟼ p ∈ ℝ 0 … m | p ⁡ 0 = - π + X ∧ p ⁡ m = π + X ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ m p ⁡ i < p ⁡ i + 1
fourierdlem85.f ⊢ φ → F : ℝ ⟶ ℝ
fourierdlem85.x ⊢ φ → X ∈ ran ⁡ V
fourierdlem85.y ⊢ φ → Y ∈ F ↾ X +∞ lim ℂ X
fourierdlem85.w ⊢ φ → W ∈ ℝ
fourierdlem85.h ⊢ H = s ∈ − π π ⟼ if s = 0 0 F ⁡ X + s − if 0 < s Y W s
fourierdlem85.k ⊢ K = s ∈ − π π ⟼ if s = 0 1 s 2 ⁢ sin ⁡ s 2
fourierdlem85.u ⊢ U = s ∈ − π π ⟼ H ⁡ s ⁢ K ⁡ s
fourierdlem85.n ⊢ φ → N ∈ ℝ
fourierdlem85.s ⊢ S = s ∈ − π π ⟼ sin ⁡ N + 1 2 ⁢ s
fourierdlem85.g ⊢ G = s ∈ − π π ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s
fourierdlem85.m ⊢ φ → M ∈ ℕ
fourierdlem85.v ⊢ φ → V ∈ P ⁡ M
fourierdlem85.r ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → R ∈ F ↾ V ⁡ i V ⁡ i + 1 lim ℂ V ⁡ i
fourierdlem85.q ⊢ Q = i ∈ 0 … M ⟼ V ⁡ i − X
fourierdlem85.o ⊢ O = m ∈ ℕ ⟼ p ∈ ℝ 0 … m | p ⁡ 0 = − π ∧ p ⁡ m = π ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ m p ⁡ i < p ⁡ i + 1
fourierdlem85.i ⊢ I = ℝ D F
fourierdlem85.ifn ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → I ↾ V ⁡ i V ⁡ i + 1 : V ⁡ i V ⁡ i + 1 ⟶ ℂ
fourierdlem85.e ⊢ φ → E ∈ I ↾ X +∞ lim ℂ X
fourierdlem85.a ⊢ A = if V ⁡ i = X E R − if V ⁡ i < X W Y Q ⁡ i ⁢ K ⁡ Q ⁡ i ⁢ S ⁡ Q ⁡ i
Assertion fourierdlem85 ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → A ∈ G ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 fourierdlem85.p ⊢ P = m ∈ ℕ ⟼ p ∈ ℝ 0 … m | p ⁡ 0 = - π + X ∧ p ⁡ m = π + X ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ m p ⁡ i < p ⁡ i + 1
2 fourierdlem85.f ⊢ φ → F : ℝ ⟶ ℝ
3 fourierdlem85.x ⊢ φ → X ∈ ran ⁡ V
4 fourierdlem85.y ⊢ φ → Y ∈ F ↾ X +∞ lim ℂ X
5 fourierdlem85.w ⊢ φ → W ∈ ℝ
6 fourierdlem85.h ⊢ H = s ∈ − π π ⟼ if s = 0 0 F ⁡ X + s − if 0 < s Y W s
7 fourierdlem85.k ⊢ K = s ∈ − π π ⟼ if s = 0 1 s 2 ⁢ sin ⁡ s 2
8 fourierdlem85.u ⊢ U = s ∈ − π π ⟼ H ⁡ s ⁢ K ⁡ s
9 fourierdlem85.n ⊢ φ → N ∈ ℝ
10 fourierdlem85.s ⊢ S = s ∈ − π π ⟼ sin ⁡ N + 1 2 ⁢ s
11 fourierdlem85.g ⊢ G = s ∈ − π π ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s
12 fourierdlem85.m ⊢ φ → M ∈ ℕ
13 fourierdlem85.v ⊢ φ → V ∈ P ⁡ M
14 fourierdlem85.r ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → R ∈ F ↾ V ⁡ i V ⁡ i + 1 lim ℂ V ⁡ i
15 fourierdlem85.q ⊢ Q = i ∈ 0 … M ⟼ V ⁡ i − X
16 fourierdlem85.o ⊢ O = m ∈ ℕ ⟼ p ∈ ℝ 0 … m | p ⁡ 0 = − π ∧ p ⁡ m = π ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ m p ⁡ i < p ⁡ i + 1
17 fourierdlem85.i ⊢ I = ℝ D F
18 fourierdlem85.ifn ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → I ↾ V ⁡ i V ⁡ i + 1 : V ⁡ i V ⁡ i + 1 ⟶ ℂ
19 fourierdlem85.e ⊢ φ → E ∈ I ↾ X +∞ lim ℂ X
20 fourierdlem85.a ⊢ A = if V ⁡ i = X E R − if V ⁡ i < X W Y Q ⁡ i ⁢ K ⁡ Q ⁡ i ⁢ S ⁡ Q ⁡ i
21 eqid ⊢ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s
22 eqid ⊢ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ S ⁡ s = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ S ⁡ s
23 eqid ⊢ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s
24 pire ⊢ π ∈ ℝ
25 24 renegcli ⊢ − π ∈ ℝ
26 25 rexri ⊢ − π ∈ ℝ *
27 26 a1i ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → − π ∈ ℝ *
28 24 rexri ⊢ π ∈ ℝ *
29 28 a1i ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → π ∈ ℝ *
30 24 a1i ⊢ φ → π ∈ ℝ
31 30 renegcld ⊢ φ → − π ∈ ℝ
32 1 fourierdlem2 ⊢ M ∈ ℕ → V ∈ P ⁡ M ↔ V ∈ ℝ 0 … M ∧ V ⁡ 0 = - π + X ∧ V ⁡ M = π + X ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ M V ⁡ i < V ⁡ i + 1
33 12 32 syl ⊢ φ → V ∈ P ⁡ M ↔ V ∈ ℝ 0 … M ∧ V ⁡ 0 = - π + X ∧ V ⁡ M = π + X ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ M V ⁡ i < V ⁡ i + 1
34 13 33 mpbid ⊢ φ → V ∈ ℝ 0 … M ∧ V ⁡ 0 = - π + X ∧ V ⁡ M = π + X ∧ ∀ i ∈ 0 ..^ M V ⁡ i < V ⁡ i + 1
35 34 simpld ⊢ φ → V ∈ ℝ 0 … M
36 elmapi ⊢ V ∈ ℝ 0 … M → V : 0 … M ⟶ ℝ
37 frn ⊢ V : 0 … M ⟶ ℝ → ran ⁡ V ⊆ ℝ
38 35 36 37 3syl ⊢ φ → ran ⁡ V ⊆ ℝ
39 38 3 sseldd ⊢ φ → X ∈ ℝ
40 31 30 39 1 16 12 13 15 fourierdlem14 ⊢ φ → Q ∈ O ⁡ M
41 16 12 40 fourierdlem15 ⊢ φ → Q : 0 … M ⟶ − π π
42 41 adantr ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → Q : 0 … M ⟶ − π π
43 42 adantr ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → Q : 0 … M ⟶ − π π
44 simplr ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → i ∈ 0 ..^ M
45 27 29 43 44 fourierdlem8 ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⊆ − π π
46 ioossicc ⊢ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⊆ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1
47 46 sseli ⊢ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1
48 47 adantl ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1
49 45 48 sseldd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → s ∈ − π π
50 ioossre ⊢ X +∞ ⊆ ℝ
51 50 a1i ⊢ φ → X +∞ ⊆ ℝ
52 2 51 fssresd ⊢ φ → F ↾ X +∞ : X +∞ ⟶ ℝ
53 ax-resscn ⊢ ℝ ⊆ ℂ
54 51 53 sstrdi ⊢ φ → X +∞ ⊆ ℂ
55 eqid ⊢ TopOpen ⁡ ℂ fld = TopOpen ⁡ ℂ fld
56 pnfxr ⊢ +∞ ∈ ℝ *
57 56 a1i ⊢ φ → +∞ ∈ ℝ *
58 39 ltpnfd ⊢ φ → X < +∞
59 55 57 39 58 lptioo1cn ⊢ φ → X ∈ limPt ⁡ TopOpen ⁡ ℂ fld ⁡ X +∞
60 52 54 59 4 limcrecl ⊢ φ → Y ∈ ℝ
61 2 39 60 5 6 fourierdlem9 ⊢ φ → H : − π π ⟶ ℝ
62 53 a1i ⊢ φ → ℝ ⊆ ℂ
63 61 62 fssd ⊢ φ → H : − π π ⟶ ℂ
64 63 ad2antrr ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → H : − π π ⟶ ℂ
65 64 49 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → H ⁡ s ∈ ℂ
66 7 fourierdlem43 ⊢ K : − π π ⟶ ℝ
67 66 a1i ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → K : − π π ⟶ ℝ
68 67 49 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → K ⁡ s ∈ ℝ
69 68 recnd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → K ⁡ s ∈ ℂ
70 65 69 mulcld ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → H ⁡ s ⁢ K ⁡ s ∈ ℂ
71 8 fvmpt2 ⊢ s ∈ − π π ∧ H ⁡ s ⁢ K ⁡ s ∈ ℂ → U ⁡ s = H ⁡ s ⁢ K ⁡ s
72 49 70 71 syl2anc ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → U ⁡ s = H ⁡ s ⁢ K ⁡ s
73 72 70 eqeltrd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → U ⁡ s ∈ ℂ
74 9 10 fourierdlem18 ⊢ φ → S : − π π ⟶cn ℝ
75 cncff ⊢ S : − π π ⟶cn ℝ → S : − π π ⟶ ℝ
76 74 75 syl ⊢ φ → S : − π π ⟶ ℝ
77 76 adantr ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → S : − π π ⟶ ℝ
78 77 adantr ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → S : − π π ⟶ ℝ
79 78 49 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → S ⁡ s ∈ ℝ
80 79 recnd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M ∧ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 → S ⁡ s ∈ ℂ
81 eqid ⊢ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s
82 eqid ⊢ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ K ⁡ s = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ K ⁡ s
83 eqid ⊢ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s ⁢ K ⁡ s = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s ⁢ K ⁡ s
84 eqid ⊢ if V ⁡ i = X E R − if V ⁡ i < X W Y Q ⁡ i = if V ⁡ i = X E R − if V ⁡ i < X W Y Q ⁡ i
85 39 1 2 3 4 5 6 12 13 14 15 16 17 18 19 84 fourierdlem75 ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → if V ⁡ i = X E R − if V ⁡ i < X W Y Q ⁡ i ∈ H ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i
86 61 adantr ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → H : − π π ⟶ ℝ
87 26 a1i ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → − π ∈ ℝ *
88 28 a1i ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → π ∈ ℝ *
89 simpr ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → i ∈ 0 ..^ M
90 87 88 42 89 fourierdlem8 ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⊆ − π π
91 46 90 sstrid ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⊆ − π π
92 86 91 feqresmpt ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → H ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s
93 92 oveq1d ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → H ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
94 85 93 eleqtrd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → if V ⁡ i = X E R − if V ⁡ i < X W Y Q ⁡ i ∈ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
95 limcresi ⊢ K lim ℂ Q ⁡ i ⊆ K ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i
96 ssid ⊢ ℂ ⊆ ℂ
97 cncfss ⊢ ℝ ⊆ ℂ ∧ ℂ ⊆ ℂ → − π π ⟶cn ℝ ⊆ − π π ⟶cn ℂ
98 53 96 97 mp2an ⊢ − π π ⟶cn ℝ ⊆ − π π ⟶cn ℂ
99 7 fourierdlem62 ⊢ K : − π π ⟶cn ℝ
100 98 99 sselii ⊢ K : − π π ⟶cn ℂ
101 100 a1i ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → K : − π π ⟶cn ℂ
102 elfzofz ⊢ i ∈ 0 ..^ M → i ∈ 0 … M
103 102 adantl ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → i ∈ 0 … M
104 42 103 ffvelcdmd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → Q ⁡ i ∈ − π π
105 101 104 cnlimci ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → K ⁡ Q ⁡ i ∈ K lim ℂ Q ⁡ i
106 95 105 sselid ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → K ⁡ Q ⁡ i ∈ K ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i
107 cncff ⊢ K : − π π ⟶cn ℂ → K : − π π ⟶ ℂ
108 100 107 mp1i ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → K : − π π ⟶ ℂ
109 108 91 feqresmpt ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → K ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ K ⁡ s
110 109 oveq1d ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → K ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ K ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
111 106 110 eleqtrd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → K ⁡ Q ⁡ i ∈ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ K ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
112 81 82 83 65 69 94 111 mullimc ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → if V ⁡ i = X E R − if V ⁡ i < X W Y Q ⁡ i ⁢ K ⁡ Q ⁡ i ∈ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s ⁢ K ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
113 72 mpteq2dva ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s ⁢ K ⁡ s
114 113 oveq1d ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ H ⁡ s ⁢ K ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
115 112 114 eleqtrrd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → if V ⁡ i = X E R − if V ⁡ i < X W Y Q ⁡ i ⁢ K ⁡ Q ⁡ i ∈ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
116 limcresi ⊢ S lim ℂ Q ⁡ i ⊆ S ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i
117 74 adantr ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → S : − π π ⟶cn ℝ
118 117 104 cnlimci ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → S ⁡ Q ⁡ i ∈ S lim ℂ Q ⁡ i
119 116 118 sselid ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → S ⁡ Q ⁡ i ∈ S ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i
120 77 91 feqresmpt ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → S ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ S ⁡ s
121 120 oveq1d ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → S ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ S ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
122 119 121 eleqtrd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → S ⁡ Q ⁡ i ∈ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ S ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
123 21 22 23 73 80 115 122 mullimc ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → if V ⁡ i = X E R − if V ⁡ i < X W Y Q ⁡ i ⁢ K ⁡ Q ⁡ i ⁢ S ⁡ Q ⁡ i ∈ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
124 20 123 eqeltrid ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → A ∈ s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i
125 11 reseq1i ⊢ G ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 = s ∈ − π π ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1
126 91 resmptd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → s ∈ − π π ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 = s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s
127 125 126 eqtr2id ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s = G ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1
128 127 oveq1d ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → s ∈ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 ⟼ U ⁡ s ⁢ S ⁡ s lim ℂ Q ⁡ i = G ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i
129 124 128 eleqtrd ⊢ φ ∧ i ∈ 0 ..^ M → A ∈ G ↾ Q ⁡ i Q ⁡ i + 1 lim ℂ Q ⁡ i