要約
この課は、変数がある点に近づくとき関数の値がある数に近づく、という考えを精密な定義に変える。直観的な考えではなぜ足りないかを示し、極限を問うことに意味がある場所を示す集積点を導入し、挑戦とそれへの応答として読める ε-δ 論法による定義を述べる。定義とその否定を量化子を含む言明として書き、極限が存在すればただ一つであること、その点の近くの値だけで決まること、そして関数をその点の近くで有界にとどめ、符号を保たせることを証明する。問題では、多項式関数、根号、商について δ を構成し、ある種の極限が存在しないことを証明し、与えられた ε に応じる最大の δ を求める。
学習目標
- 関数の1点における極限という考えを説明し、それをその点での関数の値と区別する。
- ε と δ による極限の定義を述べ、点が定義域の集積点であるという要請の理由を説明し、定義とその否定を量化子で書く。
- 簡単な代数関数の極限の値を定義によって証明し、各 ε に対して δ を構成する。
- 極限の一意性とその局所的性質を証明し、定義の否定を用いてある極限が存在しないことを証明する。
極限の考え
代数と幾何は関数が各点でとる値を調べる。微分積分学はさらに、変数がある点に近づくとき関数の値に何が起こるかを、たとえその点で関数が定義されていなくても調べる。この必要は古くからある。曲線上の2点を結ぶ直線の傾きは差分商で計算される。接線の傾きは2点が一致したときのこの商の値であるはずだが、そのとき商は となり、これは数ではない。同様に、動点の平均の速度は進んだ距離をかかった時間で割った商であり、ある瞬間の速度は、かかった時間が無に縮むときにこの商が行き着く値である。どちらの場合も、関数が定義されていない点の近くでの関数の値が問われている。
簡単な例が状況を示す。以下の関数は で定義されていない。そこで分母が 0 になるからである。しかし、 に近い点での値は に近い。
理由は、 のとき分子が と因数分解され、商が に等しくなることである。 のグラフは直線 で、点 に穴があいている。そこで、 の極限( が に近づくときの)は であるといい、次のように書く。
しかし、「値が に近づく」という言い方は、二つの理由で定義にはならない。第一に、近づくだけでは足りない。 が から に移るとき、 の値は にも近づく。 は に、 よりも近いからである。それでも は極限ではない。 を特別なものにしているのは、 の値がそれにいくらでも近くなることであり、単に前より近くなることではない。第二に、表は有限個の点しか調べないが、関数はそれらの点の間で別のふるまいをしうる。関数 の値は であり、それは でも、 でも、形 のすべての点でもそうである。それでも では極限をもたない。それらの点の間で と の間を振動するからである。練習問題 3 は、同じ論法でこれを について証明する。そうであれば、定義は近くのすべての点について同時に語り、「いくらでも近く」が何を意味するかを数で定めなければならない。そのための道具は、距離を測る絶対値と三角不等式であり、これらは実数直線の課で学んだ。
集積点
極限を定義する前に、どの点で極限を問うことに意味があるかを明確にしなければならない。点 は関数の定義域に属する必要はない。今見た例がそれを示している。しかし、定義域の点が にいくらでも近くになければならない。そうでなければ、観察すべき関数の値がないことになる。
を実数の集合とする。実数 が の集積点であるとは、中心が であるどの開区間も、 の元で と異なるものを含むことをいう。
の元で の集積点でないものを、 の孤立点という。
たとえば、 は (例の関数の定義域)の集積点であるが、それに属してはいない。閉区間 のどの点も開区間 の集積点であり、端点も含まれる。 は数 ( は自然数)の集合の集積点である。アルキメデスの性質により、すべての に対して自然数 で となるものが存在するからである。これに対し、集合 は集積点をもたない。中心 、半径 の区間は高々一つの自然数 しか含まない。 ならば、 と異なる自然数を一つも含まず、 ならば、半径 の区間はもはや自然数を一つも含まない。条件 は本質的である。それがなければ、 のすべての元が の集積点になってしまう。中心が のどの区間も 自身を含むからである。
極限の定義
これらの概念によって定義を与えることができる。「 は にいくらでも近い」という言い方は、次のように言い換えられる。どの距離 に対しても、それがどれほど小さくても、 の値は 未満の距離で に近い。ただし が に十分近いとき、すなわち、ある距離 未満のところにあり、 に等しくないときである。
を実数の集合 で定義された実関数、 を の集積点、 を実数とする。 が の極限( が に近づくときの)であるといい、 と書くのは、すべての に対してある が存在して、すべての ( の元)が を満たすならば も満たすときである。
幾何学的には、条件 は、グラフ上の点 が直線 と の間の水平な帯にあることをいう。条件 は、 が中心 、半径 の区間にあり、その中心ではないことをいう。定義は二人の間のゲームとして読むことができる。一人目が を提示する。これは のまわりの帯の半径で、帯は望むだけ細くてよい。二人目は で応じなければならない。それは、半径 の穴あき近傍の上にあるグラフの部分が帯の中に収まるような値である。二人目がすべての挑戦に応じられるとき、極限は である。
関数 は に等しい(すべての で)。そして では、ほかの値と合わない値をわざと割り当てる:。極限 (点 における)について、二つの挑戦にどう応じるかを見る。
証明
この関数は直線全体で定義されている。 の近くで、その値は に近いが、 での値だけは別扱いである。
最初の挑戦:。 の値は から までの帯にとどまらなければならない。
正の ( と異なるもの)については、条件は が と の間にあることと同値である。この区間は に関して対称ではなく、右端のほうが近い。二つの距離のうち小さいほうで応じる。
どの も、 からの距離が より小さく、 でなければ、条件を満たす。穴あき近傍の上にあるグラフの部分は帯に収まる。点 は帯の外にあるが、それはかまわない。定義は を除外しているからである。
より厳しい挑戦 は、より小さな応答を求める。一般に、 に対しては でよく、これは が小さくなるときいくらでも小さくなる。 は に依存する。
この例は、心にとめておくべき定義の三つの特徴を示している。第一に、 は に依存し、一般には点 にも依存する。ある がある挑戦に応じるならば、それより小さいどの正の数も応じるので、一つ見つければ十分であり、最大のものは必要ない。第二に、 での関数の値は、存在するとしても関与しない。条件 がそれを除外している。だからこそ、 の における極限は であり、 が に等しくてもそうである。第三に、定義域の だけが数に入り、それ以外は調べない。
を証明する。 が与えられたとき、 となるようにしなければならない。式を簡単にすると、 との関係が現れる。
したがって、、すなわち であれば十分である。 で応じる。 ならば である。同様に、定数関数 に対してはどの でも応じる。 だからである。恒等関数に対しては が応じる。求められる条件 が、仮定されている条件と同じだからである。したがって、
この例の方法が一般的な方法である。 を、因子 が現れるように書き、残りを上から押さえる。残りが定数でないときは、 をあらかじめ一定の値に制限して押さえる。たとえば とする。これが以下の例の技法である。
を証明する。 とする。
証明
平方の差を因数分解する。小さくしていく因子 が現れ、それに に依存する因子が掛かっている。
を要求すれば、 は と の間にあり、第二の因子は で押さえられる。
この制限のもとで、さらに であれば十分である。二つの条件がともに成り立つように、 を二つの数の小さいほうとして選ぶ。
ならば、 かつ である。これから求める不等式が導かれる。
この課の最初の極限も同じように証明でき、しかもこれからよく使う注意が伴う。定義は点 を調べないので、 の式を簡単にしてよい。ただし と異なる点においてである。 のとき、商 は に等しく、したがって である。 が応じる。因子 を約分してよいのは、まさに定義において が決して に等しくならないからである。
量化子を含む言明としての定義
極限の定義は、交互に並ぶ三つの量化子をもつ言明である。すべての に対して、ある が存在し、すべての に対して、という形である。その論理構造は述語論理が調べる言明の構造であり、それを扱えることが極限を扱う仕事の半分である。そこから二つの帰結が出る。
第一は、量化子の順序が重要だということである。定義では、 は がわかった後に選ばれるので、それに依存してよい。もし先に と書き、その後に と書けば、同じ一つの がすべての に同時に通用しなければならず、それははるかに強い主張である。練習問題 4 はその特徴づけを求めている。
第二は、定義の否定が量化子の否定の規則で得られることである。「すべての」の否定は「ある……が存在して、……でない」であり、「存在する」の否定は「すべての……について、……でない」である。こうして、 が極限でないとはどういうことかが得られる。
を で定義された関数、 を の集積点、 を実数とする。数 が の極限( が に近づくときの)でないための必要十分条件は、ある が存在して、すべての に対して、ある ( の元)で かつ となるものが存在することである。 否定を量化子ごとに内側へ移し、含意に達するまで続ける。
証明
定義全体を否定する。
全称言明の否定は、それが成り立たない場合が存在することである。
存在言明の否定は、すべての場合が成り立たないことである。
再び全称言明を否定する。
含意が偽であるのは、前件が真で後件が偽であるとき、かつそのときに限る。また、三分律により、 の否定は である。
ゲームの言葉でいえば、 が極限でないのは、一人目がどんな応答も通用しない挑戦をもっているときである。提示された がどれほど小さくても、穴あき近傍の点で、その値が帯からはみ出すものがある。関数が で極限をもたないことを証明するには、どの実数 も極限でないことを示さなければならない。例題 4 ではそのようにする。
基本的な性質
記法 は、ただ一つの数であるかのように、その極限について語っている。これには証明が必要である。すなわち、二つの異なる数が同時に定義を満たすことはありえない、という証明である。ここで、 が定義域の集積点であるという要請が効いてくる。もしそうでなければ、ある が存在して、定義域のどの も を満たさない。いつもこの で応じれば、定義の含意はすべての に対して真になる。前件が決して成り立たないからである。そして、どの数も極限になってしまう。
を で定義された関数、 を の集積点とする。 かつ ならば、 である。 背理法で考える。二つの極限が異なる、たとえば と仮定し、 を十分小さくとって、半径 の二つの帯(それぞれ と のまわりの)が触れ合わないようにする。
証明
と仮定し、 を両者の距離の半分とする。これは正である。
半径 の帯でそれぞれ と のまわりにあるものは共通点をもたない。この で各極限に定義を適用すると、二つの応答 と が得られ、それらは一般には異なる。
二つの条件が同時に成り立つように、二つの半径の小さいほうをとる。 は の集積点なので、半径 の穴あき近傍は定義域のある を含む。
この に対して二つの不等式がともに成り立つ。値 は二つの帯に同時にあることになる。
三角不等式により、 と の距離は より小さくなるが、これはまさにその距離である。矛盾である。したがって ではありえない。同様に でもありえず、三分律により である。
以下の補題は、商 を簡単にすることを可能にした注意を定式化する。 における極限は、 の近くでの関数の値だけで決まり、 でとる値にも、そこから遠い値にもよらない。
と を で定義された関数、 を の集積点とし、 は、 がすべての ( の元で を満たすもの)に対して成り立つようなものとする。 ならば である。 に通用する応答をとり、必要なら まで小さくすればよい。
証明
とする。仮定により、ある応答 が存在する( に対する)。
この応答と、二つの関数が一致する半径のうち、小さいほうをとる。
が の元で ならば、 である。 だからである。そして は帯の中にある。 だからである。
以下の二つの性質は、極限がその点の近くで関数に条件を課すことを述べる。一つ目は関数を有界にとどめ、二つ目は、極限が 0 でないとき、関数に極限の符号をもたせる。どちらも、あらかじめ選んだ で定義を適用して得られ、極限の演算法則の課で積と商の法則を証明するための道具になる。
を で定義された関数、 を の集積点とし、 とする。このとき、ある が存在して、すべての ( の元で を満たすもの)に対して が成り立つ。さらに ならば、ある が存在して、それらの同じ に対して、 は と同じ符号をもち、 である。 それぞれの主張は、具体的な挑戦に適用された定義である。一つ目には 、二つ目には を用いる。
証明
とすると、定義からある が得られ、 の値と の距離は より小さい。
三角不等式により、 の絶対値は、 の絶対値にこの距離を加えたものを超えない。
ならば、(これは正である)とすると、定義から別の が得られ、 は中心 、半径 の区間にとどまる。
ならば、左端は で、これは正である。 ならば、右端は で、これは負である。どちらの場合も、 は と同じ符号をもち、 からの距離が より大きい。
定義を用いればどんな極限の値も証明できるが、関数が複雑になるにつれて手間は増える。極限の演算法則の課では、この課をもとにして、和、積、商、累乗、根号の法則を証明する。それらの法則を使えば、毎回 を探し直すことなく、たいていの極限を計算できる。
例題
問題は難しさの順に並んでいる。最初の三つは、多項式、根号、商について を構成し、それぞれが に伴う因子を押さえる独自のやり方をもつ。四つ目は定義の否定を用いて極限が存在しないことを証明する。最後の問題は、与えられた挑戦に応じる最大の を求める。
定義によって を証明せよ。
解答
とする。 は多項式 の根なので、この多項式は因子 をもつ。
あらかじめ半径を に制限する。すると は と の間にあり、第二の因子は押さえられる。
この制限のもとでは であれば十分である。二つの半径の小さいほうを選ぶ。
ならば、二つの条件がともに成り立ち、求める不等式が導かれる。
定義によって を証明せよ。ただし関数は で定義されている。
解答
とする。 が現れるように、共役な式 を掛けて割る。これは正である。
分母は 以上である。 だからである。今回は半径を制限する必要はない。この押さえが定義域全体で成り立つからである。
したがって、 であれば十分である。
かつ ならば、求める不等式が得られる。調べるのは定義域の だけである。根号が定義されない負の数は、たとえ に近くても( が大きいとき)数に入らない。
定義によって を証明せよ。ただし関数は で定義されている。
解答
とする。差を通分する。
今度は に伴う因子が分母にあり、分母が に近づかないようにしなければならない。 ならば であり、分母は より大きい。
この制限のもとで、商は より小さく、この量が より小さければ十分である。
ならば、二つの条件がともに成り立つ。前もって制限しなければこの方法は失敗する。 の近くでは商が限りなく大きくなるからである。
符号関数は で定義され、正の数では 、負の数では に等しい。 が に近づくとき、これが極限をもたないことを証明せよ。
解答
は定義域の集積点である。どの実数 も極限でないことを証明しなければならない。定義の否定により、各 に対して、どの も応じられない挑戦を見つければ十分である。 を提示し、すべての に対してそれを用いる。
を任意とする。半径 の穴あき近傍は正の数と負の数を含み、関数はそこでそれぞれ と に等しい。
と の距離は である。三角不等式により、 からこれら二つの値までの距離の和は 以上である。
このことから、二つの距離の一方は 以上である。もし両方が より小さければ、その和は より小さくなるからである。
こうして、各 に対して、挑戦 には応答がない。幅 の帯で境界を除いたものは、値 と を同時に含むことはない。この関数は で極限をもたない。
関数 について、点 で、 と挑戦 に対し、この挑戦に応じる最大の を求めよ。
解答
条件 は、 が と の間にあることを意味する。
の近くでは は正であり、条件は が両端の平方根の間にあることと同値である。
から両端までの距離は異なる。放物線は の右側でより速く上昇し、右端のほうが近い。
中心 、半径 の区間は、求めた区間に収まらなければならない。その半径は二つの距離の小さいほうを超えることができず、この小さいほうの距離が挑戦に応じる。
それより大きい半径は通用しない。 ならば、点 と の距離は より小さく、そこでの と の距離はちょうど であり、これは より小さくない。
練習問題
問題は難しさの順に並んでいる。最初の二つは、別の多項式で半径を制限する技法を繰り返す。三つ目は、振動する関数に定義の否定を適用する。四つ目は、量化子の順序を入れ替えると何が起こるかを調べる。最後の問題は、ただ1点でのみ極限をもつ関数を調べる。どの問題にもヒントがあり、自分で試みた後にだけ開くのがよい。
定義によって を証明せよ。
ヒント
を因数分解せよ。これは根 をもつ。半径を に制限し、 から までの区間でもう一方の因子を押さえよ。
答え
であり、 ならば なので、次の δ が応じる。
定義によって を証明せよ。
ヒント
三乗の差の因数分解 を使い、 が と の間にあるときの第二の因子を押さえよ。
答え
ならば なので、次の δ が応じる。
関数 ( で定義されたもの)は、 が に近づくとき極限をもたないことを証明せよ。
ヒント
例題 4 の方法にならえ。中心 のどの穴あき近傍にも、関数が に等しい点と に等しい点がある。 として、形 と のものを探せ。ただし は十分大きな自然数である。
答え
どの に対しても、どの も挑戦 に応じない。 が大きいとき、以下の二つの点と の距離は より小さく、そこで関数はそれぞれ と に等しいからである。
詳しい解答
解答
を実数とし、 とする。アルキメデスの性質により、自然数 で となるものが存在する。すると以下の二つの点は正で、 より小さい。
一つ目の点では は正弦が の角であり、二つ目の点では正弦が の角である。
例題 4 と同様に、 から と までの距離の和は 以上であり、その一方は 以上である。挑戦 には応答がない。どの に対してもそうである。
を で定義された関数、 を の集積点、 を実数とする。以下の言明は、極限の定義の最初の二つの量化子を入れ替えて得られるものであるが、これが成り立つための必要十分条件は、 が に等しく、それが の点のうち中心 のある穴あき近傍にあるすべての点で成り立つことである。これを証明せよ。関数 は、 で、 として、これを満たすか。
ヒント
負でない数がすべての より小さければ、それは である。そうでなければ、それ自身が、それより小さくない になってしまう。
答え
言明の を固定すると、穴あき近傍の各 は を満たし、それはすべての についてそうであるから、 である。逆は明らかである。関数 は でこれを満たさない。そこでの極限は であるにもかかわらず、どの区間でも定数ではないからである。
詳しい解答
解答
言明を仮定し、 をそれが存在を主張する半径とする。( の元)で となるものをとる。不等式はすべての正の について成り立つ。
もし が正ならば、 ととることができ、不等式はある数がそれ自身より小さいと述べることになる。したがって、それは であり、 である。
逆に、 が に等しく、それが の点のうち半径 の穴あき近傍にある点で成り立つならば、その同じ がすべての に通用する。距離が だからである。
関数 が に等しくなる点は、 の近くにあってそれと異なる点の中には一つもない。したがってこの関数は言明を満たさないが、極限の定義は満たす。入れ替えた言明は同じことの別の言い方ではなく、はるかに強い主張である。
以下の関数は、有理数では 、無理数では に等しい。 での極限が であること、そしてどの点 でも極限をもたないことを証明せよ。
ヒント
では、すべての場合に であることに注意せよ。 では、挑戦 を提示し、どの区間にも有理数と無理数があることを使え。これは実数直線の課で証明した。近くの無理数は が に近いことを強い、近くの有理数は、それが に近いことを強いる。
答え
では が応じる。 では、もし が極限ならば、無理数 と有理数 (半径 の穴あき近傍の点)が、以下の二つの不等式を同時に与えることになるが、これらは両立しない。
詳しい解答
解答
では、有理数で 、無理数で である。どちらの場合も、 と の距離は と の距離を超えず、 が応じる。
とし、 が での極限であると仮定する。 に対して応じる が存在し、必要ならそれを まで小さくする。
半径 の穴あき近傍には無理数 があり、そこで は に等しい。極限は の近くになる。
有理数 もあり、そこで は に等しい。 と の距離は より小さいので、その絶対値は より大きい。
三角不等式により、 は より小さく、かつ大きいことになる。矛盾である。 では極限がない。