要約
この課では、値が限りなく大きくなる、または限りなく小さくなる関数を学ぶ。極限の定義の共通の図式を、欠けていた欄、すなわち値が の近くにあるという欄で補い、無限大の極限(極限をもたないことの一つの精密な形である)を、それ以外の発散の形から区別する。ただ一つの補題、すなわち逆数の補題が、無限大の極限をゼロに等しい極限に帰着させるので、和・積・商の法則は極限の演算法則から導かれる。固有の議論を必要とするのは、比較、有界でない単調関数の定理、そして合成だけである。これらによって、これまでの課が途中で残した二つの結果、すなわち分母が 0 に近づく商と、分子の次数が大きい有理関数が完成する。この課ではまた、不定形がなぜ法則ではないかを示し、最後に無限大の極限との合成を扱う。
学習目標
- 挑戦と応答の図式によって、一点における、片側からの、および無限遠における無限大の極限を定義し、それらをほかの発散の形から区別する。
- 逆数の補題を証明し、それと比較から、無限大の極限を含む和・積・商の法則を導く。
- 不定形を見分け、それがどんな結果にもなりうることを例で示す。
- 多項式、有理関数、三角関数および合成関数の無限大の極限を計算し、有界でない単調関数の定理を証明する。
欠けていた欄
変数が無限大に近づくときの極限についての課では、共通の図式が述べられた。極限の定義はどれも、値についての挑戦と変数についての応答からなり、変わるのはそれぞれのものに近いとは何を意味するかだけである。変数については、すでにすべての形が使われた。数 の近く、その片側、あるいは の近くである。値については一つだけである。数 の近くである。この課では残りの形でこの図式を補う。それは値が の近くにある、すなわち である場合、または の近くにある、すなわち である場合である。
を集合 ( の定義域)の集積点とする。 は が に近づくとき無限大に発散するといい、 と書く。その条件は、すべての実数 に対してある が存在して、 がすべての ( の元で を満たすもの)に対して成り立つことである。同様に、 であるとは、すべての に対してある が存在して、 がそれらの で成り立つことである。
量化子を用いて書くと、定義はいつもの形になる。挑戦は今度は上半平面、すなわち縦座標が より大きい点全体の上半平面である:
変形は、これまでの課と同様に、応答だけを変えることで得られる。 であるとは、条件が で成り立つことであり、 であるとは、ある が存在して条件が で成り立つことである。ほかの場合も同様である。以下では、 は変数の向かう先(、、、 または )のどれかを表し、「 の近くで」は、場合に応じて、穴あき近傍において、片側において、または半直線上において、という意味である。この課のすべての証明は、ただ一つの共通の性質しか用いない。 の近くで成り立つ二つの条件は、二つの半径のうち小さいほう、または二つのしきい値のうち大きいほうをとれば、同時に の近くで成り立つ。任意の向かう先 において引用される有限の極限についての定理(一意性、局所有界性、符号の保存、極限の演算法則、および極限の演算法則の課の補題)は、片側極限の課と前の課の反転の補題によって、それらすべてにおいて成り立つ。反転の補題のしきい値と半径との対応 は、挑戦の形によらないので、無限大の極限も同じように移す。
この書き方が何を言っているかを強調しておこう。 ならば、関数は において、実変数関数の極限の課の意味で極限をもたない。 の近くで有界でないからであり、局所有界性によれば、極限をもつ関数は有界である。 との等式は、極限をもたないことの一つの精密な形を表す。 は において有限の極限をもたないとき、そこで発散するという。 または に発散することは発散の二つの形であるが、唯一の形ではない。関数 は で発散し、有界である。関数 は で発散し、 の近くで有界でないが、それでも にも にも発散しない。 にいくらでも近い点で値がゼロになるからである。
。これに対して、 かつ であり、したがって は にも にも発散しない( が に近づくとき)。 挑戦 への応答は の逆数の平方根である。図では、上半平面が挑戦であり、 のそばの帯状の領域が応答である。
証明
を実数とする。 を考えれば十分である。大きいほうの挑戦に応じる応答は、それより小さいすべての挑戦にも応じるからである。応答として、その逆数の平方根をとる。
ならば、 の平方は正で より小さい。正の数の逆数をとると、不等号の向きが逆になる。
右側からの については、前の課の逆数の命題が応答 を与える。左側からは、 は の反数であり、 は の右側にある。値は より小さい。
を中心とするどの穴あき近傍にも、 の値で より大きいものと より小さいものがある。どの も、挑戦 ( に対する)にも、挑戦 ( に対する)にも応じない。
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