定義:関数の収束convergence・極限値limit  

 





ビギナーのための極限定義
ε-δ法による厳密な表現 ( 考え方 / 論理にこだわって / 論理記号読下しサンプル
近傍概念を用いた表現

【関連】
・1変数関数の極限概念:右極限/左極限/片側極限/包括的な極限/x→+/−∞での極限/発散
・関数一般に拡張された極限概念:
 →2変数関数の極限/n変数関数の極限/実数値関数一般の極限/n変数ベクトル値関数の極限/写像の極限   
 →数列の極限       









1変数関数の極限定義 
トピック一覧:1変数関数の極限 



ε−δ論法による厳密な「極限値」定義 ― 近傍概念を用いた表現 

・《実数の集合Dを定義域とする1変数関数f 
 《実数の集合D》の集積点x0  
  実数α  
 に対して、

 「xx0に近づくとき、f(x)αに収束する」    f(x)α (xx0) 

 「xx0に近づくときのf(x)の極限値はα」 
  "f has limit a as x approaches x0"[Fischer212]   

lim

 f(x)α

xx0

 とは、

 αのどんな近傍 を選んで Uε(α) に代入しても、
  Uε(α)に代入した《α近傍に好都合な《x0の除外近傍》が少なくとも一個は存在するので、
  そのUε(α)に代入した《α近傍に好都合な《x0の除外近傍》を探し出してU*δ(x0)に代入することによって、
  U*δ(x0) f による像Uε(α) のなかに収め込んで 
  f ( U*δ(x0) D ) Uε(α)  を成り立たせることができる

 すなわち、

  どんな《正の実数》 を選んで、εに代入しても、
  εに代入した《正の実数に好都合な《正の実数》が少なくとも一個は存在するので、
  そのεに代入した《正の実数に好都合な《正の実数》を探し出してδに代入することによって、
    「 f ( U*δ(x0) D ) Uε(α)  」 すなわち 「 xU*δ(x0) D ならばf (x) Uε(α)  」
   を成り立たせることが出来る

 ということ。

 論理記号で表すと、
       Uε(α) U*δ(x0) ( f ( U*δ(x0) D ) Uε(α) ) ) 
       ε>0 δ>0 ( f ( U*δ(x0) D ) Uε(α)  )  
       ε>0 δ>0 xU*δ(x0) D (  f (x) Uε(α) )   

 どう読むの?→ 読み下しサンプル 
 どういうこと?→ 考え方 / 論理にこだわって  
 別の表現は?→ 近傍概念を用いた簡潔な表現 
 
「関数fx0において連続」の定義では、
  「0<|xx0|<δ」ではなく、「|xx0| < δ」─つまり、x0を含めて考えた。



・《実数の集合Dを定義域とする1変数関数f 
 《実数の集合D》の集積点x0  
 に対して、

 「xx0に近づくとき、f(x)が収束する
 「xx0に近づくときのf(x)の極限値が存在する」"the limit of f(x) as x approaches a exists"[Lang39]

   

lim

 f(x)   が存在する 

xx0

 とは、

 「 f(x)α (xx0 )」 を満たす実数αが存在する

   論理記号で表すと、
    αR  Uε(α) U*δ(x0) ( f ( U*δ(x0) D ) Uε(α)  )   
    αR  ε>0  δ>0 ( f ( U*δ(x0) D ) Uε(α)  )  
    αR  ε>0  δ>0 xU*δ(x0) D (  f (x) Uε(α) )      
  
 ということ。

 





下記文献のうち、
 


 笠原『微分積分学p.25は、開区間を定義域とする1変数関数 に限定して、
 小平『解析入門Ip.76;79は、区間もしくは「区間から有限個の点を除いた《実数の集合》」「区間からx0を除いた《実数の集合》」を定義域とする1変数関数 に限定して、左記「xx0に近づくとき、f(x)αに収束する」「xx0に近づくときのf(x)の極限値はα」を定義しているが、 
 それ以外 は、《実数の集合》を定義域とする1変数関数 全般について、左記「収束」「極限値」を定義。










[文献]
 ・Fischer,Intermediate Real Analysis, pp.212-3
 ・永倉・宮岡『解析演習ハンドブック[1変数関数編]』4.1.3(p.134)
 ・笠原『微分積分学pp.25



[類概念] 右連続/左連続/区間での連続性/一様連続性



 





【注意】 
 


・様々な教科書を手に取って、「x→x0のときf(x)αに収束する/f(x)極限値はα」をどのように定義しているか、チェックしていくと、
  下記2タイプの教科書が存在することに気づく。
   【教科書タイプ1】 「x→x0のときf(x)αに収束する/f(x)極限値はα」 を、 「 ε>0  δ>0  ( f ( U*δ(x0) D ) Uε(α) )」 (→左欄)で定義する教科書。
   【教科書タイプ2】 「x→x0のときf(x)αに収束する/f(x)極限値はα」 を、 「 ε>0 δ>0 ( f ( Uδ(x0) D ) Uε(α)  ) 」 (→詳細)で定義する教科書。
・【教科書タイプ1】が多数派。しかし、【教科書タイプ2】には、杉浦『解析入門I』[定義2(p.51)定義3(p.52)命題6.4(p.55)]、Lang, Undergraduate Analysis[Chapter2§2(p.39)、赤『実数論講義』[定義6.1.3(p.163);定義6.1.4(pp.166-7)]等の有力タイトルも含まれるので、無視できない。
・両者は、同一の言葉・記号を、別の事態で定義しているので、混乱のもと。

・このノートでは、 

  【教科書タイプ1】の極限定義「 ε>0  δ>0  ( f ( U*δ(x0) D ) Uε(α) ) 」を、  f(x)α (xx0)  または  

lim
  f(x)  α  で、
xx0

  【教科書タイプ2】の極限定義「 ε>0 δ>0 ( f ( Uδ(x0) D ) Uε(α)  ) 」を、  f(x)α (xx0, xD) または  

lim
 f(x) =α  で、
xx0
xD
 表すことによって、両者を区別する。

・この記法は、Lang,ラング現代微積分学』2章§2(p.47)や、杉浦『解析入門I』【命題6.4】(p.55)に沿ったつもり。

※なお、f定義域Dとしたとき、 
   【教科書タイプ1】が採用する極限定義の意味での「x→x0のときf(x)αに収束する/f(x)の極限値はα」 f(x)α (xx0) は、
   【教科書タイプ2】が採用する極限定義の意味での 「 『関数fの D{x0} への制限f * (x)はx→x0のときαに収束する/極限値αを持つ」  f *(x)α ( xx0 , xD{x0} ) [赤『実数論講義』定義6.1.3(p.163);定義6.1.4(pp.166-7)] 
                                 「 D{x0}のなかでxx0に 近づくときf(x)αに収束する/極限値αを持つ」   f (x)α  ( xx0 , xD{x0} ) [杉浦『解析入門』定義3・注意1(pp.52-54)]
  にあたる。







 






【極限値を定義可能な範囲】

・右上の【文献】欄にリストアップした教科書を見比べると、
    

  

lim

 f(x)  が定義される「関数f  , 実数x0 の範囲」 (いかなる関数f実数x0 に対して、定義されるか) が 教科書によって《まちまち》だと気づく。

xx0

・ 

lim

 f(x)   が定義される 「 関数f実数x0 の範囲」 の違いで、これら教科書を分類したのが、下記4タイプ。

xx0

lim

 f(x)  が定義される 関数f実数x0  の範囲

xx0

関数f の範囲

実数x0 の範囲

各タイプに分類されたタイトル





【教科書タイプ1】

開区間定義域とする関数に限定

f定義域》(開区間に属す実数に限定

笠原

【教科書タイプ2】

区間もしくは「区間から有限個の実数をハジキ出してつくった《実数の集合》」を定義域とする関数に限定

f定義域に属す実数であるか、《f定義域》からハジキ出された有限個の点のいずれか。 

小平

【教科書タイプ3】

実数の集合》を定義域とする関数全般

「 ∃δ>0  《f定義域 ( x0−δ, x0){x0} 」 を満たす実数

松坂『解析入門1』;永倉・宮岡;黒田;細井

【教科書タイプ4】

実数の集合》を定義域とする関数全般 

f定義域》の集積点

ルディン;Fischer,de La Fuente;加藤; 松坂『解析入門3


・ 

lim

 f(x)  が定義される「 実数x0の範囲」 の違いが、少し分かりづらいので、

xx0
 

 《f定義域》に対する位置関係について、実数x0の具体的なケースをあげ、その点で各タイプの教科書が

lim

 f(x)を定義しているかどうかを整理したのが下表。

xx0
  

f定義域》に対する位置関係について、
 実数x0の具体的なケース

 状況説明

このx0で 【教科書タイプ1】は

lim

 f(x) を定義してる? 


xx0

このx0で 【教科書タイプ2】は

lim

 f(x) を定義してる? 


xx0

このx0で 【教科書タイプ3】は

lim

 f(x) を定義してる? 


xx0

このx0で 【教科書タイプ4】は

lim

 f(x) を定義してる? 


xx0

※参考:このx0で 

lim

 f(x)

 は定義される?

xx0
xD














x0が《f定義域の内点》であるケース

x0は《f定義域》に属し、

x0の両隣も《fの定義域


区間の中間

極限値定義される

x0
f定義域》に属す「《f定義域集積点》である《定義域の境界点》」

x0は《f定義域》に属し、
x0の一方の隣も《f定義域》だが、
他方の隣は、《f定義域》ではない

閉区間の端点

× × ×
x0が《f定義域の孤立点》であるケース

x0は定義域に属すが、
x0の両隣は定義域でない


× × × ×

x0
f定義域》に属さない
f定義域集積点である境界点」の特殊ケース(1)

x0は定義域に属さないが、
x0の両隣は定義域

×

定義域に属さない
「定義域の集集積点である境界点」の特殊ケース(2)

x0は定義域に属さないが、
x0の一方の隣は定義域

開区間の端点

× × ×
 x0が《f定義域の外典》 x0は定義域に属さず、x0の両隣も定義域に属さない:
 つまり、x0は定義域の外点

× × × × ×

・最も広範なのは設定4。上記のノートでは、これを採用した。








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