空間Rnにおける収束点列の極限とベクトル演算 

 ・定理:収束点列のベクトル和の極限、収束点列と収束数列とのスカラー積の極限  
 ※Rnにおける点列の関連ページ:Rnにおける点列の収束・極限―定義  
 ※収束列の極限と演算の関連ページ:数列の極限どおしの演算/R2上の収束点列の極限とベクトル演算 
 
※参考文献・総目次  

定理:空間Rnにおける収束点列のベクトル和の極限

要旨

点列にベクトルの加法をほどこしてから極限をとった値と、
点列の極限をとってからベクトルの加法を施した値とは、等しくなる。
つまり、
極限とベクトルの加法の順序交換は可能。

設定

この定理は、以下の舞台設定上で成立する。
Rn:実数をn個並べた組 (x1 , x2 ,…, xn) をすべてあつめた集合
  すなわち、「
実数全体の集合R」のそれ自身へのn回の直積
          
R×R×…×R={ (x1 , x2 ,…, xn) | x1∈Rかつx2∈Rかつ…かつxn∈R } 
実n次元数ベクトル空間Rn:Rnにたいして、通例のベクトルの加法・スカラー乗法を定義したもの。
ノルム空間( Rn, ‖‖ ):実n次元数ベクトル空間Rnにたいして、
             「
自然な内積(標準内積)・」「ユークリッドノルム‖‖」を定義したもの。 
ユークリッド空間(Rn,d):ノルム空間( Rn, ‖‖ )にたいして、
            
ユークリッドノルムから定めた距離d(x, y)=‖x−y‖を定義したもの。 
P :ユークリッド空間(Rn,d)上の点 (p1 , p2 ,…, pn) 
   「
空間Rn上の点 (p1 , p2 ,…, pn)」は、実n次元数ベクトルであるから、
    
Pは、実n次元数ベクトルとしての(p1 , p2 ,…, pn)も表す。  
{
P1 , P2 , P3 , … }:ユークリッド空間(Rn,d)上の点列
         すなわち
実n次元数ベクトルの列{ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}
Q :ユークリッド空間(Rn,d)上の点 (q1 , q2 ,…, qn) 
   「
空間Rn上の点(q1 , q2 ,…, qn)」は、実n次元数ベクトルであるから、
   
Qは、実n次元数ベクトルとしての(q1 , q2 ,…, qn)も表すことにする。  
{
Q1 , Q2 , Q3 , … }:ユークリッド空間(Rn,d)上の点列 
         すなわち
実n次元数ベクトルの列{ (q11 , q12 ,…, q1n), (q21 , q22 ,…, q2n) , (q31 , q32 ,…, q3n) ,…}  

定理

ユークリッド空間(Rn,d)において、
点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}が
点P=(p1 , p2 ,…, pn)に収束し、
かつ、
点列{ Q1 , Q2 , Q3 ,…}={ (q11 , q12 ,…, q1n), (q21 , q22 ,…, q2n) , (q31 , q32 ,…, q3n) ,…}が
点Q=(q1 , q2 ,…, qn)に収束する
ならば、

[文献]

杉浦『解析入門I』1章§4命題4.6(p.40):証明付

神谷浦井『経済学のための数学入門』定理4.3.2(p.140):証明付;

両点列のベクトル和の点列
 {
P1+Q1 , P2+Q2 , P3+Q3 , … }
 ={ (p11 , p12 ,…, p1n)+(q11 , q12 ,…, q1n) , (p21 , p22 ,…, p2n)+(q21 , q22 ,…, q2n), (p31 , p32 ,…, p3n)+(q31 , q32 ,…, q3n) ,… }
  ={ (p11 +q11, p12+q12 ,…, p1n+q1n ), (p21+q21, p22+q22 ,…, p2n+q2n ), (p31+ q31, p32+q32 ,…, p3n+q3n ),… }
は、点P+Q=(p1 , p2 ,…, pn)+(q1 , q2 ,…, qn)=(p1+q1, p2+q2 ,…, pn+qn )に収束する。 
つまり、

cf.

数列の極限どおしの演算

証明

仮定1「点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}が
      
点P=(p1 , p2 ,…, pn)に収束する」 
仮定
2「点列{ Q1 , Q2 , Q3 , … }={ (q11 , q12 ,…, q1n), (q21 , q22 ,…, q2n) , (q31 , q32 ,…, q3n) ,…}が
      
点Q=(q1 , q2 ,…, qn)に収束する」 
のもとで、
結論
「
点列
 {
P1+Q1 , P2+Q2 , P3+Q3 , … }  
  ={
(p11 , p12 ,…, p1n)+(q11 , q12 ,…, q1n) , (p21 , p22 ,…, p2n)+(q21 , q22 ,…, q2n), (p31 , p32 ,…, p3n)+(q31 , q32 ,…, q3n) ,… }
  ={ (p11 +q11, p12+q12 ,…, p1n+q1n ), (p21+q21, p22+q22 ,…, p2n+q2n ), (p31+ q31, p32+q32 ,…, p3n+q3n ),… }
 が点P+Q=(p1 , p2 ,…, pn)+(q1 , q2 ,…, qn)=(p1+q1, p2+q2 ,…, pn+qn )に収束する」
が成立することを示す。 
Step1:
・仮定1「点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}が
      
点P=(p1 , p2 ,…, pn)に収束する」 
 は、
 仮定
1'「・点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…} 
       の各
点の第1成分だけを取り出して並べた数列{ p11 , p21 , p31 ,…}が
         
点P=(p1 , p2 ,…, pn)の第1成分p1 に収束し、 
     
かつ
     ・
点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}
      の各
点の第2成分だけを取り出して並べた数列{ p12 , p22 , p32 ,…}が
         
点P=(p1 , p2 ,…, pn)の第2成分p2 に収束し、 
     
かつ
     :  
     
かつ
     ・
点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}
      の各
点の第n成分だけを取り出して並べた数列{ p1n , p2n, p3n,… }が
         
点P=(p1 , p2 ,…, pn)の第n成分pn に収束する」
 と
同値(∵)。
・仮定
2「点列{ Q1 , Q2 , Q3 , … }={ (q11 , q12 ,…, q1n), (q21 , q22 ,…, q2n) , (q31 , q32 ,…, q3n) ,…}が
      
点Q=(q1 , q2 ,…, qn)に収束する」 
 は、
 仮定
2'「・点列{ Q1 , Q2 , Q3 , … }={ (q11 , q12 ,…, q1n), (q21 , q22 ,…, q2n) , (q31 , q32 ,…, q3n) ,…}
       の各
点の第1成分だけを取り出して並べた数列{ q11 , q21 , q31 ,…}が、 
        
点Q=(q1 , q2 ,…, qn)の第1成分q1 に収束し、 
     
かつ
     ・
点列{ Q1 , Q2 , Q3 , … }={ (q11 , q12 ,…, q1n), (q21 , q22 ,…, q2n) , (q31 , q32 ,…, q3n) ,…}
       の各
点の第2成分だけを取り出して並べた数列{ q12 , q22 , q32 ,…}が、 
        
点Q=(q1 , q2 ,…, qn)の第2成分q2 に収束し、 
     
かつ
     :  
     
かつ
     ・
点列{ Q1 , Q2 , Q3 , … }={ (q11 , q12 ,…, q1n), (q21 , q22 ,…, q2n) , (q31 , q32 ,…, q3n) ,…}
       の各
点の第n成分だけを取り出して並べた数列{ q1n , q2n, q3n,… }が、 
        
点Q=(q1 , q2 ,…, qn)の第n成分qn に収束する」 
 と
同値(∵)。
Step2:
・結論
 「
点列
  {
P1+Q1 , P2+Q2 , P3+Q3 , … }  
  ={
(p11 , p12 ,…, p1n)+(q11 , q12 ,…, q1n) , (p21 , p22 ,…, p2n)+(q21 , q22 ,…, q2n), (p31 , p32 ,…, p3n)+(q31 , q32 ,…, q3n) ,…}
  ={
(p11 +q11, p12+q12 ,…, p1n+q1n ), (p21+q21, p22+q22 ,…, p2n+q2n ), (p31+ q31, p32+q32 ,…, p3n+q3n ),… }
  が点P+Q=(p1 , p2 ,…, pn)+(q1 , q2 ,…, qn)=(p1+q1, p2+q2 ,…, pn+qn )に収束する。」
 は、
 結論
'「・点列{ P1+Q1 ,P2+Q2 ,P3+Q3 ,…}
     ={
(p11 +q11, p12+q12 ,…, p1n+q1n ), (p21+q21, p22+q22 ,…, p2n+q2n ), (p31+ q31, p32+q32 ,…, p3n+q3n ),…}
      の各
点の第1成分だけを取り出して並べた数列{ p11 +q11, p21+q21, p31+ q31,…}が、 
       
点P+Q=(p1+q1 , p2+q2 ,…, pn+qn )の第1成分p1+q1に収束し、
    
かつ 
    ・
点列{ P1+Q1 ,P2+Q2 ,P3+Q3 ,…}
     ={
(p11 +q11, p12+q12 ,…, p1n+q1n ), (p21+q21, p22+q22 ,…, p2n+q2n ), (p31+ q31, p32+q32 ,…, p3n+q3n ),…}
      の各
点の第2成分だけを取り出して並べた数列{ p12 +q12, p22+q22, p32+ q32,…}が、 
       
点P+Q=(p1+q1 , p2+q2 ,…, pn+qn )の第2成分p2+q2に収束し、
    
かつ
     :  
    
かつ
    ・
点列{ P1+Q1 ,P2+Q2 ,P3+Q3 ,…}
     ={
(p11 +q11, p12+q12 ,…, p1n+q1n ), (p21+q21, p22+q22 ,…, p2n+q2n ), (p31+ q31, p32+q32 ,…, p3n+q3n ),…}
      の各
点の第n成分だけを取り出して並べた数列{ p1n+q1n, p2n+q2n, p3n+ q3n,…}が、    
       
点P+Q=(p1+q1 , p2+q2 ,…, pn+qn )の第n成分pn+qnに収束する」 
 と
同値(∵)。
Step3:
・数列{ p11 , p21 , p31 ,…}がp1 に収束し、かつ、数列{ q11 , q21 , q31 ,…}がq1 に収束するならば、
 
数列{ p11+q11 , p21+ q21 , p31 +q31 ,… }は、p1+q1 に収束する。(∵収束数列の和の公式) 
・
数列{ p12 , p22 , p32 ,… }がp2に収束し、かつ、数列{ q12 , q22 , q32 ,…}がq2に収束するならば、
 
数列{ p12+q12 , p22+ q22 , p32 +q32 ,… }は、p2+q2 に収束する。(∵収束数列の和の公式) 
:
・
数列{ p1n , p2n, p3n,… }がpnに収束し、かつ、数列{ q1n , q2n, q3n,… }がqn に収束するならば、
 
数列{ p1n+q1n , p2n+ q2n , p3n +q3n ,… }は、pn+qn に収束する。(∵収束数列の和の公式) 
・以上から、
 「仮定
1'かつ仮定2'ならば結論'が成り立つ」といえる。
 したがって、
Step1,Step2より、「仮定1かつ仮定2ならば結論が成り立つ」といえる。 

 

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定理:空間Rnにおける収束点列と収束数列とのスカラー積の極限

要旨

点列と数列とのスカラー積をとってから極限をとった値と、
点列・数列それぞれの極限をとってからそのスカラー積をとった値とは、等しくなる。
つまり、
極限とスカラー乗法の順序交換は可能。

設定

この定理は、以下の舞台設定上で成立する。
Rn:実数をn個並べた組 (x1 , x2 ,…, xn) をすべてあつめた集合
  すなわち、「
実数全体の集合R」のそれ自身へのn回の直積
          
R×R×…×R={ (x1 , x2 ,…, xn) | x1∈Rかつx2∈Rかつ…かつxn∈R } 
実n次元数ベクトル空間Rn:Rnにたいして、通例のベクトルの加法・スカラー乗法を定義したもの。
ノルム空間( Rn, ‖‖ ):実n次元数ベクトル空間Rnにたいして、
             「
自然な内積(標準内積)・」「ユークリッドノルム‖‖」を定義したもの。 
ユークリッド空間(Rn,d):ノルム空間( Rn, ‖‖ )にたいして、
            
ユークリッドノルムから定めた距離d(x, y)=‖x−y‖を定義したもの。 
P :ユークリッド空間(Rn,d)上の点 (p1 , p2 ,…, pn) 
   「
空間Rn上の点 (p1 , p2 ,…, pn)」は、実n次元数ベクトルであるから、
    
Pは、実n次元数ベクトルとしての(p1 , p2 ,…, pn)も表す。  
{
P1 , P2 , P3 , … }:ユークリッド空間(Rn,d)上の点列
         すなわち
実n次元数ベクトルの列{ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}
{
a1 , a2 , a3 , … } : 数列 
a  : ある実数の値 

定理

ユークリッド空間(Rn,d)において、
点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}が点P=(p1 , p2 ,…, pn)に収束し、

かつ、数列{ a1 , a2 , a3 , … }がaに収束する 
ならば、
 
P1のスカラーa1倍、P2のスカラーa2倍、P3のスカラーa3倍、…
と並べた
点列 
 {
a1P1 , a2P2 , a3P3 , … }
 ={ a1 (p11 , p12 ,…, p1n), a2 (p21 , p22 ,…, p2n) , a3 (p31 , p32 ,…, p3n) ,…} 
 ={
( a1 p11 , a1 p12 ,…, a1 p1n), (a2 p21 , a2 p22 ,…, a2 p2n) , (a3 p31 , a3 p32 ,…, a3 p3n ) ,…}
は、
Pのスカラーa倍として表される点 
      
aP=a(p1 , p2 ,…, pn)=( ap1 , ap2 ,…, apn )
に収束する。 
つまり、
 

[文献]

杉浦『解析入門I』1章§4命題4.6(p.40):証明付
神谷浦井『
経済学のための数学入門』定理4.3.2(p.140):証明付;

cf.

数列の極限どおしの演算

証明

仮定1「点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}が
      
点P=(p1 , p2 ,…, pn)に収束する」 
仮定
2「数列{ a1 , a2 , a3 , … }がaに収束する」 
のもとで、
結論「
点列{ a1P1 , a2P2 , a3P3 , … }={ ( a1 p11 , a1 p12 ,…, a1 p1n), (a2 p21 , a2 p22 ,…, a2 p2n) , (a3 p31 , a3 p32 ,…, a3 p3n ) ,…}
    が
点aP=( ap1 , ap2 ,…, apn )に収束する」
が成り立つことを示す。
Step1:
 仮定1「点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}が
      
点P=(p1 , p2 ,…, pn)に収束する」
 は、
 仮定
1'「・点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…} 
       の各
点の第1成分だけを取り出して並べた数列{ p11 , p21 , p31 ,…}が
         
点P=(p1 , p2 ,…, pn)の第1成分p1 に収束し、 
     
かつ
     ・
点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}
      の各
点の第2成分だけを取り出して並べた数列{ p12 , p22 , p32 ,…}が
         
点P=(p1 , p2 ,…, pn)の第2成分p2 に収束し、 
     
かつ
     :  
     
かつ
     ・
点列{ P1 , P2 , P3 , … }={ (p11 , p12 ,…, p1n), (p21 , p22 ,…, p2n) , (p31 , p32 ,…, p3n) ,…}
      の各
点の第n成分だけを取り出して並べた数列{ p1n , p2n, p3n,…}が
         
点P=(p1 , p2 ,…, pn)の第n成分pn に収束する」
 と
同値(∵)。
Step2:
・結論「点列{ a1P1 , a2P2 , a3P3 , … }={ ( a1 p11 , a1 p12 ,…, a1 p1n), (a2 p21 , a2 p22 ,…, a2 p2n) , (a3 p31 , a3 p32 ,…, a3 p3n ) ,…}
    が
点aP=( ap1 , ap2 ,…, apn )に収束する」
 は、
 結論
'「・点列{ a1P1 , a2 P2 , a3P3 ,… }
       ={ ( a1 p11 , a1 p12 ,…, a1 p1n), (a2 p21 , a2 p22 ,…, a2 p2n) , (a3 p31 , a3 p32 ,…, a3 p3n ) ,…}
        の各
点の第1成分だけを取り出して並べた数列{ a1 p11 ,a2 p21 , a3 p31 ,…}が、 
         
点aP=( ap1 , ap2 ,…, apn )の第1成分ap1 に収束し、
    
かつ 
    ・
点列{ a1P1 , a2 P2 , a3P3 ,… }
       ={ ( a1 p11 , a1 p12 ,…, a1 p1n), (a2 p21 , a2 p22 ,…, a2 p2n) , (a3 p31 , a3 p32 ,…, a3 p3n ) ,…} 
        の各
点の第2成分だけを取り出して並べた数列{ a1 p12 , a2 p22 , a3 p32 ,…}が、 
         
点aP=( ap1 , ap2 ,…, apn )の第2成分ap2 に収束し、
    
かつ
     :  
    
かつ
    ・
点列{ a1P1 , a2 P2 , a3P3 ,… }
     ={ ( a1 p11 , a1 p12 ,…, a1 p1n), (a2 p21 , a2 p22 ,…, a2 p2n) , (a3 p31 , a3 p32 ,…, a3 p3n ) ,…}
      の各
点の第n成分だけを取り出して並べた数列{ a1 p1n, a2 p2n, a3 p3n ,…}が、    
       
点aP=( ap1 , ap2 ,…, apn )の第n成分apnに収束する」 
 と
同値(∵)。
Step3:
・数列{ p11 , p21 , p31 ,…}がp1に収束し、かつ、数列{ a1 , a2 , a3 , … }がaに収束するならば、
 
数列{ a1 p11 ,a2 p21 , a3 p31 ,… }は、ap1 に収束する。(∵収束数列の積の公式)   
・
数列{ p12 , p22 , p32 ,…}がp2に収束し、かつ、数列{ a1 , a2 , a3 , … }がaに収束するならば、
 
数列{ a1 p12 , a2 p22 , a3 p32 ,…}は、ap2 に収束する。(∵収束数列の積の公式)   
:
・
数列{ p1n , p2n, p3n,…}がpn に収束し、かつ、数列{ a1 , a2 , a3 , … }がaに収束するならば、
 
数列{ a1 p1n , a2 p2n , a3 p3n ,…}は、apnに収束する。(∵収束数列の積の公式)   
・以上から、
 「仮定
1'かつ仮定2ならば結論'が成り立つ」といえる。
 したがって、
Step1,Step2より、「仮定1かつ仮定2ならば結論が成り立つ」といえる。 

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reference

日本数学会編集『岩波数学辞典(第3版)』項目58関数D族・列(p.158);項目92距離空間(pp.253-256);項目166収束(pp436);項目409ユークリッド幾何学(pp.1225-1229)、項目410ユークリッド空間 (pp.1229-1230).
(解析学についての教科書)
高木貞二『
解析概論改訂第三版』岩波書店、1983年、p.14.
小平邦彦『解析入門I』 (軽装版)岩波書店、2003年、§1.6平面上の点集合-d.点列の極限(pp.60-61)。
杉浦光夫『
解析入門I』岩波書店、1980年、1章§4(pp.38-40):Rn上の点列について。収束定義の論理記号での表現がある。.
吹田・新保『理工系の微分積分学』学術図書出版社、1987年。6章§1(pp.155-157):平面上。
(数理経済学についての教科書)
神谷和也・浦井憲『
経済学のための数学入門』東京大学出版会、1996年、pp.67-68;120-123;4.3Rnにおける点列の収束(pp.135-141).
奥野正寛、鈴村興太郎『ミクロ経済学I』岩波書店、1985年、pp.261-265.
(位相についての教科書)
志賀浩二『位相への30講』朝倉書店、1988年、第2講平面上の座標・点列の収束(pp.10-15); 第11講距離空間の例(pp.77-84)。。
矢野公一『
距離空間と位相構造』共立出版、1997年。 1章距離空間1.1.2点列の収束(pp.10-11);2章位相空間2.1位相構造(p.65)
斉藤正彦『数学の基礎:集合・数・位相』東大出版会、2002年。1章§2定義1.2.11:点列;定義1.2.12部分列(pp.13-4); 3章§4定義3.4.4Rn点列収束(pp.86-87);第4章位相空間(その1)§4点列の収束 (p.122-3)
松坂和夫『集合・位相入門』岩波書店、1968年。第6章§1-C点列の収束(pp.238-9)。
彌永昌吉・彌永健一『岩波講座基礎数学: 
集合と位相II』 岩波書店、1977年, §1.7距離空間のCauchy列,完備距離空間(pp.154-8);§2.5有向点列の収束(p.198)。

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