2変数関数の極限の性質:トピック一覧  

  ・極限値どおしの演算[極限値の和差/定数倍/積/商]  
  ・
コーシーの判定条件  

 ※関連ページ:1変数関数の極限の性質/ n変数関数の極限の性質/ベクトル値関数の極限の性質
 ※2変数関数に関する諸概念の定義:2変数関数の諸属性/極限/連続性/偏微分/全微分/矩形上の積分/点集合上の積分 
 
→参考文献・総目次

定理:2変数関数の極限値どおしの演算

舞台
設定

f,g:平面R2上の点集合D(定義域)Dに属す各点Pにたいして実数を対応づける2変数関数。
A=(x0, y0):平面上の点集合D上の定点。つまり、A=(x0, y0)∈D⊂R2
P=(x, y)
:平面上の点集合D上の動点。つまり、つまり、P=(x, y)∈D⊂R2 

定理1

→証明

[ sum-difference limit theorem ] 
f ( P )→c (P→A)かつg ( P )→d (P→A) ならば、{f (P)±g (P)}→c+d ( P→A )
つまり、P→Aとしたときにf (P),g (P)が収束するならば、
       
 

cf.
1変数関数の極限値どおしの演算
n変数関数の極限値どおしの演算
ベクトル値関数の極限値のベクトル和
ベクトル値関数の極限値のスカラー倍

[文献]
吹田新保『
理工系の微分積分学』p.23;
小平『解析入門�U』pp.259-260:証明略
杉浦『
解析入門I』定理6.6(pp.57-63):Rn→Rmの関数一般について
��木『
解析概論』9極限(p.21):証明略.

定理2

→証明

f ( P )→d (P→A) ならば、任意の実数cに対して、cf (P)→cd ( P→A )
つまり、P→Aとしたときに、f(P)が収束するならば、任意の実数cに対して、
       
    

定理3

→証明

[ product limit theorem ] 
f ( P )→c (P→A)かつg ( P )→d (P→A) ならば、{f (P)g (P)}→cd ( P→A )
つまり、P→Aとしたときに、f (P),g (P)が収束するならば、 
       
  

定理4

→証明

[quotient limit theorem]  
f ( P )→c (P→A)かつg ( P )→d (P→A)かつc≠0 ならば、{g (P)/f (P)}→d/c ( P→A )
つまり、P→Aとしたときにf (P),g (P)が収束し、
     
かつ、このときのf(P)の極限値が0でないならば、 
        
 

   

→[トピック一覧:2変数関数の極限の性質]
→総目次 

   

証明→定理1

P→Aとしたときにf(P)が実数値cへ収束し、かつ、g(P)が実数値dへ収束する
    つまり、
f ( P )→c (P→A)かつg ( P )→d (P→A) 
と仮定する。…
(0)
[
予備作業]
・関数の収束と点列・数列の収束を関係付ける定理より、
 
f ( P )→c ( P → A ) 
  
⇔ (∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ f (Pn)→c (n→∞)) …(1-1)
 
g ( P )→d ( P → A ) 
  
⇔ (∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ g (Pn)→d (n→∞))…(1-2)
・2変数関数h( P )=f ( P )±g ( P ) を定義する。
 
関数の収束と点列・数列の収束を関係付ける定理より、
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ h (Pn)→e (n→∞))  
  
⇔h ( P )→e ( P→A ) 
 ここで、h( P )を、f ( P )±g ( P )に戻すと、 
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ {f (Pn)±g (Pn)}→e (n→∞))
  
⇔ {f (P)±g (P)}→e ( P→A ) …(1-3)
・収束数列の演算則より、
 
数列{ f (P1), f (P2), f (P3),…}、{ g(P1), g(P2), g(P3),…}について 
   
f (Pn)→c (n→∞) かつ g(Pn)→d (n→∞)    
 
ならば、
  
f (Pn)±g (Pn)→c+d  (n→∞)   …(1-4)
[
本題]
・仮定(0)「f ( P )→c (P→A)かつg ( P )→d (P→A)」のもとで、
  
(1-1) (1-2) (1-4)より、
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ f (Pn)→c (n→∞)かつg (Pn)→d (n→∞) 
                           
⇒ f (Pn)±g (Pn)→c+d (n→∞)  )
   …
(1-5) 
・
(1-5)は、(1-3)を用いて、{f (P)±g (P)}→c+d ( P→A ) と言い表せる。
 したがって、
 仮定
(0)「 f ( P )→c (P→A) かつ g ( P )→d (P→A)」のもとで、
 {
f (P)±g (P)}→c+d ( P→A )である 。

→戻る

   

証明→定理2

P→Aとしたときにf(P)が実数値dへ収束する、つまり、f ( P )→d (P→A) 
と仮定する。…
(0)
[
予備作業]
・関数の収束と点列・数列の収束を関係付ける定理より、
 
f ( P )→d ( P → A ) 
  
⇔ (∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ f (Pn)→d (n→∞)) …(1)
・2変数関数h( P )=cf ( P ) (cは任意の実数)を定義する。
 
関数の収束と点列・数列の収束を関係付ける定理より、
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ h (Pn)→e (n→∞))  
  
⇔h ( P )→e ( P→A ) 
 ここで、h( P )を、cf ( P )に戻すと、 
 
(∀{ Pn })((Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒(∀c∈R)(cf (Pn)→e (n→∞)))
  
⇔ (∀c∈R)(cf (P)→e ( P→A )) …(2)
・収束数列の演算則より、
 
数列{ f (P1), f (P2), f (P3),…}について、f (Pn)→d (n→∞)ならば、任意の実数cに対し、cf (Pn)→cd (n→∞)
  (f (Pn)→d (n→∞))⇒((∀c∈R)(cf (Pn)→cd (n→∞)))       
    …
(3)
[
本題]
・仮定(0)「f ( P )→d (P→A)」のもとで、
  
(1),(3)より、
 
(∀{ Pn }) (( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A))⇒(f (Pn)→d (n→∞))⇒(∀c∈R)(cf (Pn)→cd (n→∞)))
   …
(4) 
・
(4)は、(2)を用いて、(∀c∈R)(cf (P)→cd ( P→A )) と言い表せる。
 したがって、
 仮定
(0)「 f ( P )→d(P→A) 」のもとで、(∀c∈R)(cf (P)→cd ( P→A ))である 。

→戻る

   

証明→定理3

P→Aとしたときにf(P)が実数値cへ収束し、かつ、g(P)が実数値dへ収束する
    つまり、
f ( P )→c (P→A)かつg ( P )→d (P→A) 
と仮定する。…
(0)
[
予備作業]
・関数の収束と点列・数列の収束を関係付ける定理より、
 
f ( P )→c ( P → A ) 
  
⇔ (∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ f (Pn)→c (n→∞)) …(1-1)
 
g ( P )→d ( P → A ) 
  
⇔ (∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ g (Pn)→d (n→∞))…(1-2)
・2変数関数h( P )=f ( P )g ( P ) を定義する。
 
関数の収束と点列・数列の収束を関係付ける定理より、
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ h (Pn)→e (n→∞))  
  
⇔h ( P )→e ( P→A ) 
 ここで、h( P )を、f ( P )g ( P )に戻すと、 
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ f (Pn)g (Pn)→e (n→∞))
  
⇔ f (P)g (P)→e ( P→A ) …(2)
・収束数列の演算則より、
 
数列{ f (P1), f (P2), f (P3),…}、{ g(P1), g(P2), g(P3),…}について 
   
f (Pn)→c (n→∞) かつ g(Pn)→d (n→∞)    
 
ならば、
  
f (Pn)g (Pn)→cd  (n→∞)   …(3)
[
本題]
・仮定(0)「f ( P )→c (P→A)かつg ( P )→d (P→A)」のもとで、
  
(1-1) (1-2) (3)より、
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ f (Pn)→c (n→∞)かつg (Pn)→d (n→∞) 
                           
⇒ f (Pn)g (Pn)→cd (n→∞)  )
   …
(4) 
・
(4)は、(2)を用いて、f (P)g (P)→cd ( P→A ) と言い表せる。
 したがって、
 仮定
(0)「 f ( P )→c (P→A) かつ g ( P )→d (P→A)」のもとで、
 {
f (P)g (P)}→cd ( P→A )である 。

→戻る

   

証明→定理4

P→Aとしたときにf(P)が実数値cへ収束し、かつ、g(P)が実数値dへ収束し、かつ、c≠0
    つまり、
f ( P )→c (P→A)かつg ( P )→d (P→A)かつc≠0  
と仮定する。…
(0)
[
予備作業]
・関数の収束と点列・数列の収束を関係付ける定理より、
 
f ( P )→c ( P → A ) 
  
⇔ (∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ f (Pn)→c (n→∞)) …(1-1)
 
g ( P )→d ( P → A ) 
  
⇔ (∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ g (Pn)→d (n→∞))…(1-2)
・2変数関数h( P )=g (P)/f (P) を定義する。
 
関数の収束と点列・数列の収束を関係付ける定理より、
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ h (Pn)→e (n→∞))  
  
⇔h ( P )→e ( P→A ) 
 ここで、h( P )を、g (P)/f (P)に戻すと、 
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ g (P)/f (P)→e (n→∞))
  
⇔ g (P)/f (P)→e ( P→A ) …(2)
・収束数列の演算則より、
 
数列{ f (P1), f (P2), f (P3),…}、{ g(P1), g(P2), g(P3),…}について 
   
f (Pn)→c (n→∞) かつ g(Pn)→d (n→∞) かつ c≠0   
 
ならば、
  
g (Pn)/f (Pn)→d/c  (n→∞)   …(3)
[
本題]
・仮定(0)「f ( P )→c (P→A)かつg ( P )→d (P→A)かつc≠0」のもとで、
  
(1-1) (1-2) (3)より、
 
(∀{ Pn })(( Pn→A (n→∞)かつ(∀n) (Pn ≠A) )⇒ f (Pn)→c (n→∞)かつg (Pn)→d (n→∞) 
                           
⇒ g (Pn)/f (Pn)→d/c (n→∞) )
   …
(4) 
・
(4)は、(2)を用いて、g (P)/f (P)→d/c ( P→A ) と言い表せる。
 したがって、
 仮定
(0)「 f ( P )→c (P→A) かつ g ( P )→d (P→A)かつc≠0」のもとで、
 
g (P)/f (P)→d/c ( P→A )である 。

→戻る

 

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定理:コーシーの判定条件 [P→ Aのとき]

舞台
設定

f:平面R2上で定義された2変数関数。 
A=(x0, y0):平面R2上の定点。つまり、A=(x0, y0)∈R2
P=(x, y)
:平面R2上の動点。つまり、P=(x, y)∈R2 

Cf.
 1変数関数の場合
 
n変数関数の場合
 
ベクトル値関数の場合 

[文献]
小平『
解析入門�U』定理6.1(pp.259-260):証明略。
杉浦『
解析入門I』定理6.10(pp.61-62):証明付.
��木『解析概論』9極限(pp.22-3).

定理

次の命題S,命題T,命題Rは互いに言い換え可能である。
つまり、命題
S⇔命題T⇔命題R

命題S :
 P→Aのとき、関数f (P)が収束する 
命題T :
 任意の正数εに対して、ある正数δをとると
  
任意のP,Q∈R2 にたいして、  
   「(0<
d (P,A)<δかつ0<d (Q,A)<δ)ならば、|f (P)−f (Q)|<ε」
              * 
d ( P, A )は点Pと点Aとの距離を表す。
 が成り立つ。
 
論理記号では、
 
(∀ε>0) (∃δ>0)
   (∀P,Q∈R2) ((0<d (P,A)<δかつ0<d(Q,A)<δ)⇒|f (P)−f (Q)|<ε)
命題U :
 任意の正数εに対して、あるR2上の点Aの除外δ近傍U*δ(A)をとると、
  
任意のP,Q∈U*δ(A)にたいして、|f (P)−f (Q)|<εが成り立つ。
 
論理記号では、
 
(∀ε>0) (∃U*δ(A)) (∀P,Q∈U*δ(A))) (|f (P)−f (Q)|<ε)
    

活用例

 

証明

[命題S⇒ 命題Tの証明]

・2変数関数の収束の定義より、
  命題
S「f ( P )→c (P→A)」⇔「(∀ε/2>0)(∃δ>0)(∀P∈R2 )(0<d( P, A )<δ⇒|f (P)−c|<ε/2 )」
  命題
S「f ( P )→c (P→A)」⇔「(∀ε/2>0)(∃δ>0)(∀Q∈R2 )(0<d( Q, A )<δ⇒|f (Q)−c|<ε/2 )」
 したがって、命題
S「f ( P )→c (P→A)」が成り立つならば、  
 (
∀ε/2>0)(∃δ>0)(∀P,Q∈R2 )
   (0<
d( P, A )<δかつ0<d( Q, A )<δ⇒|f (P)−c|<ε/2 かつ|f (Q)−c|<ε/2
                       ⇒|f (P)−c|+|f (Q)−c|<ε) …(1) 
・
|f (P)−f (Q)|≦| f (P)−c |+|f (Q)−c | …(2) 
 なぜなら、 
  
|f (P)−f (Q)|=| (f (P)−c)+(−f (Q)+c) |
       ≦
| f (P)−c |+|−f (Q)+c |  ∵絶対値の三角不等式
          =
| f (P)−c |+|−(f (Q)−c) | 
            =
| f (P)−c |+|f (Q)−c | 
・
(1)(2)をあわせると、
 命題
S「f ( P )→c (P→A)」が成り立つならば、 
 
(∀ε>0)(∃δ>0)(∀P,Q∈R2 )
        
(0<d( P, A )<δかつ0<d( Q, A )<δ⇒|f (P)−f (Q)|≦|f (P)−c|+|f (Q)−c|<ε)   
 となる。

[命題T⇒ 命題Sの証明]

・命題T「(∀ε>0) (∃δ>0)(∀P,Q∈R2) ((0<d (P,A)<δかつ0<d(Q,A)<δ)⇒|f (P)−f (Q)|<ε)」
 が成り立っていると仮定。  
・
(∀{ Pi })((Pi→A (i→∞)かつ(∀i) (Pi ≠A) )
  
         ⇔ (∀δ>0)(∃N∈N)(∀j,k∈N)( j,k≧N⇒0<d ( Pj , A ) <δかつ0<d ( Pk , A ) <δ))
   なぜなら、
Pi→A (i→∞)の定義が「(∀ε>0)(∃N∈N)(∀i∈N)( i≧N⇒ d ( Pi , A ) <ε)」で、
       
距離の定義より、(∀i) (Pi ≠A) ⇔ (∀i) (0<d ( Pi , A ) )
   となるから。   
・したがって、命題
Tのもとでは、
 
(∀{ Pi })
   ((Pi→A (i→∞)かつ(∀i) (Pi ≠A) )
 
     ⇒(∀ε>0)(∃δ>0)(∃N∈N)(∀j,k∈N)
          ( j,k≧N⇒0<d ( Pj , A ) <δかつ0<d ( Pk , A ) <δ⇒|f (Pj )−f (Pk )|<ε))
 となる。
これは、要するに、
 
(∀{Pi })((Pi→A (i→∞)かつ(∀i) (Pi ≠A))⇒((∀ε>0)(∃N∈N)(∀j,k∈N)( j,k≧N⇒|f (Pj )−f (Pk )|<ε)))
ということ。 
ここで、
(∀ε>0)(∃N∈N)(∀j,k∈N)( j,k≧N⇒|f (Pj )−f (Pk )|<ε)は、
      
数列 { f (Pi ) } = { f (P1 ), f (P2 ), f (P3 ),… } がコーシー列であることの定義にほかならないから、
命題
Tのもとでは、  
  
(∀{ Pi })((Pi→A (i→∞)かつ(∀i) (Pi ≠A) )⇒数列{f (Pi )}はコーシー列)。
となる。
 
コーシーの判定条件「数列{ f (Pi )}はコーシー列⇔数列{f (Pi )}は収束」より、
 命題
Tのもとでは、  
    
(∀{ Pi })((Pi→A (i→∞)かつ(∀i) (Pi ≠A) )⇒ 数列{ f (Pi )})。
 となる。
 さらに、
2変数関数の収束を点列・数列の収束に言い換える定理により、   
 (∀{ Pi })((Pi→A (i→∞)かつ(∀i) (Pi ≠A) )⇒ f (Pi )は収束)⇔命題S「P→Aのとき、関数f (P)が収束する」      
 したがって命題Tが成り立つとの仮定下で、命題Sが成立する。

     

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(reference)

小平邦彦『解析入門�U』(軽装版)岩波書店、2003年、pp.259-260。

吹田・新保『理工系の微分積分学』学術図書出版社、1987年、p.159.

杉浦光夫『解析入門I』岩波書店、1980年、pp.57-63.

高橋一『経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、pp.32-36;42-44. 

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