実数値関数の極限の定義:トピック一覧  

  定義:距離空間上で定義された実数値関数の収束・極限値 
  
定理: 関数の収束と点列数列の収束の関連 

 ※実数値関数に関する諸概念の定義:実数値関数の定義と諸属性/実数値関数の極限/連続性/可測関数/  
 ※実数値関数の極限の具体例:1変数関数の収束・極限値/2変数関数の収束・極限値/ n変数関数の収束・極限値/
 実数値関数の極限の一般化:ベクトル値関数の極限/距離空間のあいだの写像の極限  
 
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定義:距離空間上で定義された実数値関数の収束convergence・極限値limit 

→具体例:1変数関数の収束・極限値/ 2変数関数の収束・極限値/ n変数関数の収束・極限値/
→一般化:ベクトル値関数の極限/距離空間のあいだの写像の極限 
→活用例:
連続性の定義

舞台設定

以下の手順で設定した舞台上で、
「距離空間上で定義された
実数値関数の極限値」は定義される。
Step1集合X (集合ならなんでもよい)を用意する。
Step2実数を全てあつめた集合(実数体)Rを用意する  
Step3:「集合X」から「実数体R」への実数値関数 f を用意。
    つまり、「
fXR 」 
Step4:集合X距離dX を定めて、集合X上に、距離空間( X , dX )を設定。
Step5実数体R距離dを定めて、集合Y上に、距離空間( R , d )を設定。
Step6:「集合X」上の動点を、Pと名づける。
    「集合
X」上の定点を、Aと名づける。 
        つまり、「
P, AX」  

はじめに
読むべき
定義

距離空間( X , dX )上で点Pを点Aに近づけたとき、
          
実数値関数 f (P) が、実数c収束する
距離空間( X , dX )上で点Pを点Aに近づけたときのf (P) 極限実数cである」
    f ( P )c ( P A ) 
        
とは、
Pを、点Aと一致させることなく点Aに近づけたとき、
Pの点Aへの接近経路にかかわらず、
実数値関数 f (P) の値が同じ1つの実数cに近づくことをいう。 

[文献]
矢野『距離空間と位相構造1.1.3(p.13)

*上記の定義では、「近づく」とはいかなる事態を指すのか、という点が、不明確。
 そこで、厳密には、「距離空間上で定義された
実数値関数の極限値」は、
 以下のように、定義される。

厳密な
定義:
ε
-δ
 論法

距離空間( X , dX )上で点Pを点Aに近づけたとき、
           
f (P) が、実数c収束する
距離空間( X , dX )上で点Pを点Aに近づけたときのf (P) 極限実数cである」
    f ( P )c ( P A ) 
        
とは、
任意の(どんな)実数εに対して(でも)、ある実数δをとると、
  0<
dX( P, A )<δ d ( f (P), c )| f (P)c| <ε   
が成り立つ
ということ。
この定義を、
論理記号で表せば、
ε>0)(δ>0)(PX)(0<dX(P, A)<δ d ( f (P), c )| f (P)c|<ε)
となる。

近傍を
用いた
定義

距離空間( X , dX )上で点Pを点Aに近づけたとき、
           
f (P) が、実数c収束する
距離空間( X , dX )上で点Pを点Aに近づけたときのf (P) 極限実数cである」
    f ( P )c ( P A ) 
        
とは、
 
実数c任意の(どんな)「R上のε近傍 Uε( c )」に対して(でも)、
 ある「
Xにおける点Aの除外δ近傍U*δ(A)」が存在して、
     
f ( U*δ(A) ) Uε( c ) 
 を満たす
ということ。
この定義を別の表現でいうと、
 
任意の(どんな)実数εに対して(でも)、ある実数δが存在して、
        「 
f ( U*δ(A) ) Uε( c )  」
    すなわち「 
PU*δ(A) ならばf (P) Uε( c )
 を成り立たせる、
ということ。
この定義を、
論理記号で表せば、
Uε( c ))(U*δ(A))( f ( U*δ(A) ) Uε( c ) ) 
ε>0)(δ>0)( f ( U*δ(A) ) Uε( c ) ) 
ε>0)(δ>0)(PX)( PU*δ(A) f (P) Uε( c )) 
となる。

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定理:実数値関数の収束の、点列の収束への言い換え 

舞台設定

この定理は、
以下の手順で設定された舞台上でなされる。
Step1集合X (集合ならなんでもよい)を用意する。
Step2実数を全てあつめた集合(実数体)Rを用意する  
Step3:「集合X」から「実数体R」への実数値関数 f を用意。
    つまり、「
fXR 」 
Step4:集合X距離dX を定めて、集合X上に、距離空間( X , dX )を設定。
Step5実数体R距離dを定めて、集合Y上に、距離空間( R , d )を設定。
Step6:「集合X」上の動点を、Pと名づける。
    「集合
X」上の定点を、Aと名づける。 
        つまり、「
P, AX」  

[具体例]
1変数関数の収束の、数列の収束への言い換え
2変数関数の収束の、点列・数列の収束への言い換え
n変数関数の収束の、点列・数列の収束への言い換え

[類例]
ベクトル値関数の収束の、点列の収束への言い換え
[一般化]
距離空間の間の写像の収束の、点列の収束への言い換え


[文献]

定理

次の命題P,Qは互いに言い換え可能である。
つまり、命題
P命題Q
命題P
距離空間( X , dX )上で点Pを点Aに近づけたとき、
           
f (P) が、実数c収束する
 これを、記号であらわせば、
    f (P)c ( PA ) 
    
  

命題Q
距離空間( X , dX )上のどんな点列{ Pi }={ P1 , P2 , P3,}についてであれ、
 
1. その点列{ Pi }={ P1 , P2 , P3,}が点A収束し
 
かつ  
 
2. その点列の各項 P1 , P2 , P3,…がどれも点Aと一致しない 
 
限り、 
 その
点列の各項 P1 , P2 , P3,…を実数値関数fによりR上に写した像数列 
    {
f ( Pi ) }={ f ( P1 ), f ( P2 ) , f ( P3 ) , }
 は実数c収束する
 つまり、
  
距離空間( X , dX )上の任意の点列{ Pi }={ P1 , P2 , P3,}について、
   
PiA (i) かつ P1A , P2A , P3A ,ならばf ( Pi)c (i)
 論理記号で表すと、
   
{ Pi })( PiA (i)かつ(i) ( Pi A) f ( Pi) c (i)

活用例

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reference

矢野公一『距離空間と位相構造』共立出版、1997年、1.1.3関数と写像の連続性(p.13-)