要約
この課では、変数が限りなく大きくなるときの関数のふるまいを調べ、それを同じ記号で書かれる別の状況、すなわち関数の値が限りなく大きくなる状況から注意深く区別する。ε としきい値 によって変数が無限大に近づくときの極限を定義し、それが における片側極限と同値であることを、変数の置き換え によって一度だけ証明する。このことから、これまでの課のすべての定理が、新たな証明なしに無限遠でも成り立つ。それらを用いて累乗と有理関数の極限を計算し、これにより代数と幾何で認めていた水平漸近線と斜め漸近線を証明する。また、はさみうちの原理と単調関数の定理を適用し、極限が存在しないのはどのような場合かを見分ける。
学習目標
- 変数が無限大に近づくときの極限を無限大の極限から区別し、両者を挑戦と応答の共通の図式で書く。
- ε としきい値 によって変数が無限大に近づくときの極限を定義し、それが における片側極限と同値であることを証明する。
- 変数が無限大に近づくときの累乗と有理関数の極限を証明し、そこから水平漸近線と斜め漸近線を導く。
- はさみうちの原理、単調関数、変数の置き換えによって無限遠における極限を計算し、極限が存在しない場合を証明する。
無限大の二つの用法
「無限大」という語は、極限の研究において二つの異なる意味で現れ、それらは最初から区別しておくのがよい。一つ目の意味では、限りなく大きくなるのは変数であり、関数の値はある数に近づく。二つ目の意味では、限りなく大きくなるのは関数であり、変数はある数に近づく。したがって、以下の三つの主張は互いに異なる。
- :変数が限りなく大きくなり、 の値が数 に近づく。たとえば、 は に近づく( が大きくなるとき)。これがこの課の対象である。
- :変数が数 に近づき、 の値が限りなく大きくなる。たとえば、 は限りなく大きくなる( が に近づくとき)。これは無限大の極限についての課の対象である。
- : のように、両方が限りなく大きくなる。これも無限大の極限についての課で扱う。
記号 は実数ではなく、二つの状況は対称ではない。一つ目では、極限は存在して一つの数 であり、それに一意性、極限の演算法則、およびすべての既知の定理が適用される。二つ目では、関数は実変数関数の極限についての課の意味での極限をもたない。書き方 は極限を名指すのではなく、極限をもたない一つの正確な仕方を表す。そのため、数を扱う極限の演算法則を、 に、それが数であるかのように適用することはできない。
しかし、二つの状況は一つの同じ図式に収まる。極限の定義はどれも、値についてのどの挑戦に対しても、変数についての応答が存在する、と述べる。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:
- 変数が数 に近いとは のことであり、 に近いとは のことである;
- 値が数 に近いとは のことであり、 に近いとは のことである。
極限についての課の定義は、各行の一つ目の形を組み合わせる。この課は、一行目の二つ目の形と二行目の一つ目の形を組み合わせる。無限大の極限についての課は、残りの形を組み合わせる。この課の最初の命題は、同じ一つの関数で二つの用法を示す。
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