定義:《実数の集合》の境界点 boundary point  

→ビギナー向け「境界点」定義 
→厳密な「境界点」定義:

  → 距離のみを用いた表現
  → 開区間を用いた表現
  → 近傍を用いた表現
  → 内点・外点を用いた表現 
  → 内点・補集合を用いた表現

 【一般化】
  → R2に おける境界点/Rnにおける境界点 
  → 距離空間一般における境界点

→実数−《実数の集合》間の位置関係一覧
→[トピック一覧:距離空間(R,d)]
→総目次 

厳密な「境界点」定義 〜 距離を用いた表現     

 





【表現5】

・「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」とは、

  距離εの大きさを操作して
     《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅を変えていくと、  

  《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、  

  その都度その都度、
  《実数aから距離ε以内のゾーン》には
    《Eに属す実数》《Eに属さない実数》の両方が存在している      

 ということ。

    [→能代『極限論と集合論』7章3(p.131):Rn]  

・論理記号・集合の記号で表すと、
    ∀ε>0 (  「 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) 」かつ「 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ωの元ではないE ) 」  )







  ※ 上記の定義は、 【開区間を用いた表現5】   【近傍を用いた表現5】 の開区間・近傍の定義を、距離を用いて書き下して得たもの。 

 ・「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」を、下記のように定義しても同じこと。
  だから、これらを互いに言い換えても差し支えない。


 





【表現3】

「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」とは、

  距離εの大きさを操作して
     《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅を変えていくと、
 
  《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、

       《実数aから距離ε以内のゾーン》のなかに《Eに属す実数》が存在するが、
       そのとき 《実数aから距離ε以内のゾーン》のなかにある実数のすべてが、Eに属すのではない   
ということ、

 論理記号・集合の記号で表すと、
    ∀ε>0 ( 「 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) 」かつ「¬ ∀ω∈R ( a−ε<ω<a+ε⇒  ω∈E )」  )

  ※ 上記の定義は、【開区間表現】/【近傍表現】の開区間・近傍の定義を、距離を用いて書き下して得たもの。 

【一覧】
 →境界点
 →実数−《実数の集合》間の位置関係





 





この定義は、
 



【開区間を用いた表現3】   【近傍を用いた表現3】 の開区間・近傍の定義を、距離を用いて書き下して得たもの。 
  







 





【表現5'】

「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」とは、

   距離εの大きさを操作して
    《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅を変えていくと、
 
   《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、

   《実数aから距離ε以内のゾーン》には
       『Eに属す実数』『《Eの補集合》に属す実数』の両方が存在している
ということ、

 論理記号・集合の記号で表すと、
   ∀ε>0 ( 「∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E)」かつ「∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈Ec )」 )

  ※ 上記の定義は、【開区間表現】/【近傍表現】の開区間・近傍の定義を、距離を用いて書き下して得たもの。 

【一覧】
 →境界点
 →実数−《実数の集合》間の位置関係





 





この定義は、  



【開区間を用いた表現5'】   【近傍を用いた表現5'】 の開区間・近傍の定義を、距離を用いて書き下して得たもの。 
  








 





【表現5-2】

・「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」とは、

   距離εの大きさを操作して
    《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅を変えていくと、
 
    《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、《実数aから距離ε以内のゾーン》には《Eに属す実数》が存在し、
    なおかつ      
    《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、《実数aから距離ε以内のゾーン》には《Eに属さない実数》が存在する

 ということ。

・論理記号・集合の記号で表すと、

   ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) 

  ※ 上記の定義は、【開区間表現】/【近傍表現】の開区間・近傍の定義を、距離を用いて書き下して得たもの。 

【一覧】
 →境界点の定義
 →実数−《実数の集合》間の位置関係





 





【表現5-2】は【表現5】と同じこと。互いに言い換えてよい。
 



※どうして? → ∀と∧の分配則   








 





【表現5-2'】

・「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」とは、

   距離εの大きさを操作して
    《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅を変えていくと、
 
    《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、《実数aから距離ε以内のゾーン》には『Eに属す実数』が存在し、
    なおかつ      
    《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、《実数aから距離ε以内のゾーン》には『《Eの補集合》に属す実数』が存在する

 ということ。

・論理記号・集合の記号で表すと、

   ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈Ec) 

  ※ 上記の定義は、【開区間表現】/【近傍表現】の開区間・近傍の定義を、距離を用いて書き下して得たもの。 

【一覧】
 →境界点の定義
 →実数−《実数の集合》間の位置関係





 





【表現5-2'】は【表現5'】と同じこと。互いに言い換えてよい。
 



※どうして? → ∀と∧の分配則   









 





【表現5-3】

・ 「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」とは、
   実数a、《実数の集合E》の位置関係が、次にあげる位置関係の少なくとも一方に該当すること。

  位置関係1: 実数aは《実数の集合E》に属しているが、
        《実数aから距離ε以内のゾーン》に《Eに属さない実数》が、
        《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、
        存在する。
 
  位置関係2: 実数aは《実数の集合E》に属さないが、
        《実数aから距離ε以内のゾーン》に《Eに属す実数》が、
        《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、
        存在する。

・ 以上を、論理記号・集合の記号で表すと、

  「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」とは、
          
     ( a∈E かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) )
      または  
     (  aの元ではないE  かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) )   

  ということ。

  ※ 上記の定義は、【開区間表現】/【近傍表現】の開区間・近傍の定義を、距離を用いて書き下して得たもの。 

【一覧】
 →境界点の定義
 →実数−《実数の集合》間の位置関係





 





【表現5-3】は【表現5-2】と同じこと。互いに言い換えてよい。
 



※どうして?   

【表現5-2】 ⇒【表現5-3】  【表現5-3】 ⇒【表現5-2】

【表現5-2】 ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) 
⇔∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)  かつ ( a∈E または aの元ではないE )   
  ∵排中律より「 a∈E または aの元ではないE 」は恒真命題であること、「Pかつ恒真命題」と「P」とは互いに言い換えてよいことから。   
⇔( ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E)) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) かつ a∈E )
 または
 ( ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E)) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) かつ   aの元ではないE )     
         ∵《かつ》《または》の分配律にしたがって  
⇒【表現5-3】 (a∈Eかつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE))または (aの元ではないE かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) )   
    ∵「かつ」の除去則 
・一般に、 「『命題Aまたは命題B』⇒命題C」 は、「命題A⇒命題C」かつ「命題B⇒命題C」と言い換え可能だから(→含意の言換3)、
    【表現5-3】 
     ( a∈E かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) )または(  aの元ではないE  かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) )
   ⇒ 【表現5-2】 ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) 
 を示すには、
  (1) 「a∈E かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)」  ⇒ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) 
  (2) 「aの元ではないE  かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E)」  ⇒ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) 
 の両方が成り立つことを示せばよい。
・a∈E  ⇒ 「∀ε>0  (a−ε<a<a+εかつ a∈E )」。なので、 a∈E  ⇒ 「∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E)」。だから、(1)は成り立つ。 
・aの元ではないE  ⇒ 「∀ε>0  (a−ε<a<a+ε かつ aの元ではないE )」。なので、 aの元ではないE ⇒ 「∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)」。だから、(2)は成り立つ。







 





【表現5-4】

・「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」とは、 

 ケース1: 実数aがEに属すならば、

        《実数aから距離ε以内のゾーン》に《Eに属さない実数》が、
        《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、
        存在する。

 ケース2: 実数aがEに属さないならば、 

        《実数aから距離ε以内のゾーン》に《Eに属す実数》が、
        《実数aから距離ε以内のゾーン》の幅をどのように変えたときでも、
        存在する。

・以上を、論理記号・集合の記号で表すと、

 「実数aが『《実数の集合E》の境界点』である」とは、

     「 a∈E ⇒ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)) 」
     かつ
     「 aの元ではないE ⇒ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E)) 」

  ということ。

  ※ 上記の定義は、【開区間表現】/【近傍表現】の開区間・近傍の定義を、距離を用いて書き下して得たもの。 

【一覧】
 →境界点の定義
 →実数−《実数の集合》間の位置関係






 





【表現5-4】は【表現5-2】と同じこと。互いに言い換えてよい。
 



※どうして?
  【表現5-4】「a∈E ⇒ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE))」   かつ「aの元ではないE ⇒ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) ) 」
   ⇔ 「 aの元ではないE または (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE))」かつ「a∈E または (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) )」 ∵「ならば」の同義異表現  
   ⇔ ( 「aの元ではないE または (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE))」かつ a∈E )
      または
     ( 「aの元ではないE または (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE))」かつ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) ) )        ∵《かつ》《または》の分配律   
   ⇔ (aの元ではないEかつa∈E) または 
     ((∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE))かつa∈E) または (aの元ではないEかつ(∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) )) 
     または((∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)) かつ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) )) ∵《かつ》《または》の分配律   
   ⇔ ((∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE))かつa∈E) または (aの元ではないEかつ(∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) )) 
     または((∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)) かつ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) )) ∵矛盾律より(aの元ではないEかつa∈E)は恒偽命題であること、「恒偽命題またはP」と「P」は互いに言い換えてよいこと、から。
   ⇔ ((∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)) かつ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) ))
        または((∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)) かつ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) )) ∵【表現5-3】の右コラムに示したように、
                                                       【表現5-3】 ( a∈E かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE) )または(  aの元ではないE  かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) ) ⇔ 【表現5-2】 ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) かつ ∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)    
   ⇔ 【表現5-2】((∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつωの元ではないE)) かつ (∀ε>0 ∃ω∈R ( a−ε<ω<a+ε かつ ω∈E) ))    ∵ ベキ等律








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