→戻る

証明:ユークリッド空間R2上の点列の収束と座標ごとの収束の関係  
 [高木『解析概論』p.14:R2; 小平『解析入門I』§1.6-d(p.60) :R2上 ;吹田新保『理工系の微分積分学』p.155-6;
  矢野『距離空間と位相構造』例1.9(p.12) :Rn; 志賀『位相への30講』第13講(pp.91-2):Rn;
  神谷浦井『経済学のための数学入門』定理4.3.1(p.138) :n次元;杉浦『解析入門I』1章§4定理4.5-1(p.38);:n次元] 
(設定) (R2,d) : R2にユークリッド距離を与えてつくったユークリッド空間 
     
P   :  ユークリッド空間 (R2,d)上の点 ( x ,y )を表すとする。
     {
Pi}i∈N : ユークリッド空間 (R2,d)上の点列{P1 , P2 , P3 , …}で、
           各
点Piはふたつの実数の順序対[つまり座標]( xi , yi )を表すとする。
          つまり
点列{P1 , P2 , P3 , …}は、{ (x1 , y1) , (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }とも書ける。
     {
xi}i∈N : 点列{Pi}i∈Nの各点Pi( xi , yi )のxiだけを取り出して並べた数列{ x1 , x2, x3,… }  
     {
yi}i∈N : 点列{Pi}i∈Nの各点Pi( xi , yi )のyiだけを取り出して並べた数列{ y1 , y2, y3,… }   
(定理)以下の二つの命題は同値である。
    命題
1: 点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する。
         つまり、 
          
   
    命題
2: 数列{xi}i∈Nがxに収束し、かつ、数列{yi}i∈Nがyに収束する。
          
     

(証明) A.予備的考察/B.命題1⇒命題2の証明/
   C.命題2⇒命題1の証明(その1)/D.命題2⇒命題1の証明(その2)/E.命題2⇒命題1の証明(その3)

→戻る

A.予備的考察:ユークリッド距離の性質をここの文脈に適用 
ユークリッド距離の
性質1・性質2・性質3・性質4・性質5より、
点列{Pi}i∈Nの任意の各点Pi( xi , yi )と、点P( x ,y )との間のユークリッド距離 

は、以下の不等式をいつでもみたす。 
・
任意のi∈Nにたいして、  
      …
(A-1)
              ∵ユークリッド距離の性質1 
・
任意のi∈Nにたいして、  
      …
(A-2)
              ∵ユークリッド距離の性質2 
・
任意のi∈Nにたいして、  
     …
(A-3)
     ただし、Max ( |xi−x| , | yi−y | )は、「|xi−x|と| yi−y |のうち、大きいほうの値」
    つまり、
(0-3)は、
    
(ケース1) |xi−x|≦| yi−y |となる点Pi (xi,yi)については、
           …
(A-3-a)
    (ケース2) |xi−x|≧| yi−y |となる点Pi (xi,yi)については、
           …
(A-3-b)
     ということ。
・
任意のi∈Nにたいして、  
      …
(A-4)
              ∵ユークリッド距離の性質4  
・
任意のi∈Nにたいして、  
        …
(A-5)
              ∵ユークリッド距離の性質5  

 →先頭に戻る 

B. 命題1⇒命題2の証明
 [志賀『位相への30講』第13講(pp.91-2):Rnにおいて;矢野『距離空間と位相構造』例1.9(p.12); 吹田新保『理工系の微分積分学』pp..155-6; 
  杉浦『
解析入門I』1章§4定理4.5-1(p.38):n次元; 神谷浦井『経済学のための数学入門』定理4.3.1(p.138) :n次元;]  
以下、
step1で、
     
⇒
を示し、
step2で、
     
⇒
を示すことで、
      
⇒
を示す。 
[stepI: 命題1⇒命題2前半] 
(概略)
・任意のi∈Nにたいして
     …
(A-1)
  が成り立つが、
・命題
1:点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する」が成り立つならば、
  
点列の収束の定義より、
    
  
・よって、
i→∞で、(A-1)右辺が0に収束するから、(A-1)左辺も0に収束。
(詳細)
命題1:点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する」とは、
    
  
のこと、すなわち、
   
( ∀ε>0 ) (∃N∈N) (∀i∈N) ( i≧N⇒) …(B-1)
のことであった(点列の収束の定義より)。
(A-1)より任意のi∈Nにたいして
   
が成り立つので、
命題
1すなわち(B-1)が成り立つならば、
 
( ∀ε>0 ) (∃N∈N) (∀i∈N) ( i≧N⇒) 
が成り立つ。
つまり、
命題
1すなわち(B-1)が成り立つならば、
  
( ∀ε>0 ) (∃N∈N) (∀i∈N) ( i≧N⇒|xi−x|<ε) が成り立つ。
数列の収束・極限値の定義を用いて、このことを書きなおすと、
命題
1すなわち(B-1)が成り立つならば、 
  
  
が成り立つ、となる。
[stepII: 命題1⇒命題2後半]  
(要旨)
・任意のi∈Nにたいして
     …
(A-2)
  が成り立つが、
・命題
1:点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する」が成り立つならば、
  
点列の収束の定義より、
    
  
・よって、
i→∞で、(A-2)右辺が0に収束するから、(A-2)左辺も0に収束。
(厳密には)
命題1:点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する」とは、
  
( ∀ε>0 ) (∃N∈N) (∀i∈N) ( i≧N⇒) …(B-2)
のことであった。
(A-2)より任意のi∈Nにたいして
   
が成り立つので、
命題
1すなわち(B-2)が成り立つならば、
 
( ∀ε>0 ) (∃N∈N) (∀i∈N) ( i≧N⇒) 
が成り立つ。
つまり、
命題
1すなわち(B-2)が成り立つならば、
  
( ∀ε>0 ) (∃N∈N) (∀i∈N) ( i≧N⇒|yi−y|<ε) が成り立つ。
数列の収束・極限値の定義を用いて、このことを書きなおすと、
命題
1すなわち(B-2)が成り立つならば、 
  
  
が成り立つ、となる。

→先頭に戻る

C. 命題2⇒命題1の証明(その1)  
 [志賀『位相への30講』第13講(pp.91-2):Rnにおいて;矢野『距離空間と位相構造』例1.9(p.12);]  
(概略)
・任意のi∈Nにたいして、  
     …
(A-3)
 が成り立つ。
・命題
2: が成り立つならば、
  
i→∞で、(A-3)右辺が0に収束するから、(A-3)左辺も0に収束。
・
(A-3)左辺の収束は、命題1:点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する」の定義にほかならない。
(詳細)
Step1:
点列の点を二つに分類
点列{Pi}i∈Nを構成する各点Pi (xi,yi)は、
  ・
|xi−x|≦| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi) であるか、
  ・
|xi−x|>| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi) であるか、
のいずれかである(両方であることもなければ、どちらでもないこともない)。
便宜上、
|xi−x|≦| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)の添数iをすべてあつめた集合を、Aで表し、
|xi−x|>| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)の添数iをすべてあつめた集合を、Bで表すことにする。
なお、
  
点列{Pi}i∈Nの添数iをすべてあつめた集合は、自然数全体の集合Nであったから、 
  
A⊂N、 B⊂N、A∪B=N、A∩B=φである。  
この添数の集合
Aを用いて、
|xi−x|≦| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)のみを抜き出した「点列{Pi}i∈Nの部分列」を、{Pi}i∈Aで表し、
|xi−x|≦| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)のxiのみを抜き出した「数列{xi}i∈N の部分列」を、{xi}i∈Aで表し、
|xi−x|≦| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)のyiのみを抜き出した「数列{yi}i∈N の部分列」を、{yi}i∈Aで表すことにする。
また、この添数の集合
Bを用いて、
|xi−x|>| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)のみを抜き出した「点列{Pi}i∈Nの部分列」を、{Pi}i∈Bで表し、
|xi−x|>| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)のxiのみを抜き出した「数列{xi}i∈N の部分列」を、{xi}i∈Bで表し、
|xi−x|>| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)のyiのみを抜き出した「数列{yi}i∈N の部分列」を、{yi}i∈Bで表すことにする。
Step2: 点列の点の分類の一方{Pi}i∈A、{xi}i∈A、{yi}i∈Aについて 
ここでは、
{Pi}i∈A、{xi}i∈A、{yi}i∈Aに限定して考える。
数列{
xi}i∈N、数列{yi}i∈N について、   
命題
2: 
がなりたつ
ならば、数列{xi}i∈N,{yi}i∈Nの部分列である{xi}i∈A,{yi}i∈Aもそれぞれx,yに収束する(∵収束する数列の任意の部分列は収束する)
数列の極限の定義を用いて正確に言いなおすと、
「命題
2が成り立つならば、
  
(∀ε>0) (∃N1∈N) (∀i∈A⊂N) ( i≧N1⇒| xi −x|<ε) かつ (∀ε>0) (∃N1∈N) (∀i∈A⊂N) ( i≧N1⇒| yi −y|<ε) 」
    ※ {
Pi}i∈A、{xi}i∈A、{yi}i∈Aは、|xi−x|≦| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)ばかりを集めた点列・数列だったから、
      「命題
2が成り立つならば、
         
(∀ε>0) (∃N1∈N) (∀i∈A⊂N) ( i≧N1⇒| xi −x|≦| yi−y |<ε) 」
      といってもよい。
ここでさしあたり注目したいのは、   
「命題
2が成り立つならば、
  
(∀ε>0) (∃N1∈N) (∀i∈A⊂N) ( i≧N1⇒| yi −y|<ε) 」…(C-1)
という点だけである。
(A-3-a)より、 |xi−x|≦| yi−y |となる任意の点Pi (xi,yi)については、
         
であったから、
|xi−x|≦| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)ばかりを集めた点列{Pi}i∈B・数列{xi}i∈B、{yi}i∈Bでは、
すべての
i∈Bについて、
         
が満たされる。…
(C-2)
(C-1) (C-2)
を合せて考えると、
「命題
2が成り立つならば、
    
(∀ε>0) (∃N1∈N) (∀i∈A⊂N) ( i≧N1⇒| yi −y|<ε⇒ )   」
となる。 
 上記について、要点以外を省略すると、
 「命題
2がなりたつならば、 (∀ε>0) (∃N1∈N) (∀i∈A⊂N) ( i≧N1⇒ ) 」  
 となる。 また、これは、以下のようにいってもかわらない。
 「命題
2がなりたつならば、(∀√2・ε>0) (∃N1∈N) (∀i∈A⊂N) ( i≧N1⇒ ) 」…(C-3)   
Step3: 点列の点の分類の一方{Pi}i∈B、{xi}i∈B、{yi}i∈Bについて 
ここでは、{
Pi}i∈B、{xi}i∈B、{yi}i∈Bに限定して考える。
命題
2: 
がなりたつ
ならば、その部分列である{xi}i∈B、{yi}i∈Bもそれぞれx,yに収束する(∵収束する数列の任意の部分列は収束する)
数列の極限の定義を用いて正確に言いなおすと、
「命題
2が成り立つならば、
  
(∀ε>0) (∃N2∈N) (∀i∈B⊂N) ( i≧N2⇒| xi −x|<ε) かつ (∀ε>0) (∃N2∈N) (∀i∈B⊂N) ( i≧N2⇒| yi −y|<ε) 」
    ※ {
Pi}i∈B、{xi}i∈B、{yi}i∈Bは、|xi−x|>| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)ばかりを集めた点列・数列だったから、
      「命題
2が成り立つならば、
         
(∀ε>0) (∃N2∈N) (∀i∈B⊂N) ( i≧N2⇒| yi−y |<| xi −x|<ε) 」
      といってもよい。
ここでさしあたり注目したいのは、   
「命題
2が成り立つならば、
  
(∀ε>0) (∃N2∈N) (∀i∈B⊂N) ( i≧N2⇒| xi −x|<ε) 」…(C-4)
という点だけである。
(A-3-b)より、 |xi−x|≧| yi−y |となる任意の点Pi (xi,yi)については、
         
であったから、
|xi−x|>| yi−y |を満たす点Pi(xi,yi)ばかりを集めた点列{Pi}i∈B・数列{xi}i∈B、{yi}i∈Bでは、
任意の
i∈Bについて、である。…(C-5)
(C-4) (C-5)
を合せて考えると、
「命題
2が成り立つならば、
    
(∀ε>0) (∃N2∈N) (∀i∈B⊂N) ( i≧N2⇒| xi −x|<ε⇒ )   」
となる。 
 上記について、要点以外を省略すると、
 「命題
2がなりたつならば、 (∀ε>0) (∃N2∈N) (∀i∈B⊂N) ( i≧N2⇒ ) 」  
 となる。 また、これは、以下のようにいってもかわらない。
 「命題
2がなりたつならば、(∀√2・ε>0) (∃N2∈N) (∀i∈B⊂N) ( i≧N2⇒ ) 」 …(C-6)  
Step5: 点列の点の各分類についての結果を統合する 
 ここまでの結果
(C-3)(C-6)をあわせると、
「命題
2がなりたつならば、
      
(∀√2・ε>0) (∃N1∈N) (∀i∈A⊂N) ( i≧N1⇒ )    
   かつ 
(∀√2・ε>0) (∃N2∈N) (∀i∈B⊂N) ( i≧N2⇒ ) 」  
すると、
N1とN2のうちおおきいほうか、それ以上の自然数をNで表すことにすると、   
「命題
2がなりたつならば、
      
(∀√2・ε>0) (∃N1∈N) (∀i∈A⊂N) ( i≧N≧N1⇒ )    
   かつ 
(∀√2・ε>0) (∃N2∈N) (∀i∈B⊂N) ( i≧N≧N2⇒ ) 」  
である。すると、
「命題
2がなりたつならば、
      
( ∀√2・ε>0 ) (∃N∈N) (∀i∈A∪B= N) ( i≧N⇒) 
といえる。
つまり、
「命題
2がなりたつならば、
      
( ∀ε' >0 ) (∃N∈N) (∀i∈N) ( i≧N⇒) 
これは、
命題
1:点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する
ということであった。∵
ユークリッド平面上の点列の収束の定義 

→先頭に戻る

D. 命題2⇒命題1の証明(その2)   [杉浦『解析入門I』1章§4定理4.5-1(p.38):n次元ユークリッド空間において;]  
(概略)
・任意のi∈Nにたいして、  
    …
(A-4)
 が成り立つ。
・命題
2: が成り立つならば、
  
i→∞で、(A-4)右辺が0に収束するから、(A-4)左辺も0に収束。
・ だから、
   
(A-4)左辺が0に収束するならば、も0に収束する。 
   これは、命題
1:点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する」の定義にほかならない。
(詳細)
step1:
命題2:かつ が成り立つならば、かつ 
 なぜなら、
かつ が成り立つならば、
    ・
 ∵極限値の和の演算則
           
=x−x=0     ∵の仮定下で考えているから。
    
かつ 
    ・
 ∵極限値の和の演算則
           
=y−y=0     ∵の仮定下で考えているから。
Step2:
命題2:かつ が成り立つならば、かつ 
 なぜなら、
    
かつ が成り立つならば、
    
step1より、 かつ だから、
    ・
 ∵極限値の積の演算則 
          
=0      かつ 
    ・
 ∵極限値の積の演算則 
          
=0      
Step3:
命題2:かつ が成り立つならば、かつ 
 なぜなら、   
  ・
step2より、かつ が成り立つならば、かつ  
  ・
絶対値の性質 より、(xi-x)2=|xi-x|2  
 ゆえに、 
 
かつが成り立つならば、かつ
Step4:
命題2:かつ が成り立つならば、
 なぜなら、
  
step3より、かつ が成り立つならば、かつだから、
  
かつ が成り立つならば、
         ∵
極限値の和の演算則 
Step5:
命題2:かつ が成り立つならば、    
 なぜなら、
   
(A-4)より、いつでも、だから、
   
step4より、かつ が成り立つならば、
            
Step6:
命題2:かつ が成り立つならば、    
 なぜなら、
  ・いつでも、   
  ・
step5より、かつ が成り立つならば、 
  以上
2点から、
  
かつ が成り立つならば、
       いわゆる
はさみうちの原理が適用されて、
            
Step7:
命題2:かつ が成り立つならば、命題1:
  なぜなら、
  ・
step6より、命題2:かつ が成り立つならば、 
  ・          
    は、命題
1「点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する」の定義
  したがって、
   命題
2:かつ が成り立つならば、
   命題1:
  といってよい。   

E. 命題2⇒命題1の証明(その3)
      [神谷浦井『経済学のための数学入門』定理4.3.1(p.138) :n次元ユークリッド空間において;
       吹田新保『理工系の微分積分学』p.155-6 ]  
(概略)
・任意のi∈Nにたいして、  
    …
(A-5)
 が成り立つ。
・命題
2: が成り立つならば、
  
i→∞で、(A-5)右辺が0に収束するから、(A-5)左辺も0に収束。
  これは、命題
1:点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する」の定義にほかならない。
(詳細)
step1:
命題2:かつ が成り立つならば、かつ …(E-1)
 なぜなら、かつ が成り立つならば、
    ・
 ∵極限値の和の演算則
           
=x−x=0     ∵の仮定下で考えているから。
    
かつ 
    ・
 ∵極限値の和の演算則
           
=y−y=0     ∵の仮定下で考えているから。
Step2:
命題2:かつ が成り立つならば、かつ 
なぜなら、
 ・
かつ が成り立つならば、
  
step1より、 かつ だから、 
    
   ∵極限値の演算則
           
=0 
    
かつ
    
   ∵極限値の演算則
           
=0 
Step3:
命題2:かつ が成り立つならば、かつ 
なぜなら、
 
かつ が成り立つならば、
     ∵
絶対値の定義 
            ∵
step1,step2  
        
=0 
     ∵
絶対値の定義 
            ∵
step1,step2  
        
=0 
Step4:
命題2:かつ が成り立つならば、 
なぜなら、
 
かつ が成り立つならば、
  
step3より、 かつ だから、 
   
  ∵極限値の和の演算則  
             
=0+0=0   
Step5:
命題2:かつ が成り立つならば、 
なぜなら、
 ・
(A-5)より、いつでも、   
 ・
step4より、かつ が成り立つならば、 
  以上
2点から、
  
かつ が成り立つならば、
       いわゆる
はさみうちの原理が適用されて、
         
Step6:
命題2:かつ が成り立つならば、命題1:
  なぜなら、
  ・
step5より、命題2:かつ が成り立つならば、 
  ・  
    は、命題
1「点列{Pi}i∈N={ (x1 , y1), (x2 , y2) , (x3 , y3) ,… }が、点P=(x,y)へ収束する」の定義
  したがって、
   命題
2:かつ が成り立つならば、
   命題1:
  といってよい。   

    
→
戻る