2変数関数の最大値最小値定理・中間値定理トピック一覧  

 ・有界閉集合上の性質:連続関数による有界閉集合の像は有界閉集合/有界閉集合上連続な関数は有界/最大値・最小値定理
            
関数f (x)を有界閉集合D上で連続とすると、fDにおいて一様連続 
 
・連結な集合上の性質:中間値定理/連続関数による領域の像は区間/連続関数による閉領域の像は閉区間   

 2変数関数に関する諸概念の定義:2変数関数/極限/極限の性質/連続性/偏微分/全微分/ 
 
1変数関数のケースでの最大値最小値定理・中間値定理・一様連続 
 
一般化: n変数関数のケース/ベクトル値関数のケース/実数値関数一般/距離空間のあいだの写像のケース   
 参考文献/総目次

定理:2変数連続関数による有界閉集合の像は、有界閉集合

要旨

R2上の有界な閉集合Dで連続2変数関数によるDの像は「R上の有界閉集合」。

設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台上で成立する。 
Step1平面R2を用意する。
    
*R2とは、実数2個並べた組 (x,y ) をすべてあつめた集合。
     
2次元数ベクトルをすべて集めた集合でもある。
Step2
平面R2ユークリッド距離dを定めて、
         
ユークリッド平面(R2,d)を設定。
Step3平面R2上の点集合のひとつを選んで、集合Dと名づける。
    つまり、「
DR2」 
    
*Dは、「2次元数ベクトルの集合」とも呼べる。 
Step4平面R2上の点集合Dで定義された2変数関数 f を用意。
    つまり、
f : DR DR2 ) 
        
z=f(P) ( zR, PDR2 ) , 
        
z=f(x,y) ( zR, (x, y)DR2 ) 
    
*fは「D属す2次元数ベクトルから実数への対応付け」
     だとも言える。
Step5:「平面R2上の点集合D」に属す2を、P=(x, y),Q=(x', y')と名づける。
    つまり、「
P, QDR2」  
    
*P, Qは、「D属す2次元数ベクトル」といってもよい。

[活用例]
・「
有界閉集合で連続な2変数関数は有界」の証明
最大値最小値定理の証明
[類例]1変数関数のケース
[一般化] n変数関数のケース/ベクトル値関数のケース/距離空間のあいだの写像のケース
[文献]
木『
解析概論』定理13(p.26);
小平『解析入門U』定理6.3(p.263):証明付;
吹田・新保『理工系の微分積分学p. 160.
杉浦『解析入門I』定理7.3(p.68):証明付;
ルディン『現代解析学4.14(p.87)距離空間一般上。

定理

命題P
 「2変数関数f (P)f (x,y)が、R2上の点集合Dで連続である」
が成り立ち、
かつ
命題
Q
 「R2上の点集合D有界な閉集合である」
が成り立つ
ならば
命題
R
 「2変数関数f による点集合Dの像f (D)
    
R上の点集合として有界閉集合である」
が成り立つ。

なぜ?→証明 

[予備情報]
・命題
QR2上の点集合D有界な閉集合である」
 
命題Q'R2上の点集合D点列コンパクト
   
(ハイネ・ボレル・ルベークの被覆定理) 
・命題
R2変数関数f による点集合Dの像f (D)
       
R上の点集合として有界閉集合
 
命題R'2変数関数f による点集合Dの像f (D)
               
R上点列コンパクト
   
(ハイネ・ボレル・ルベークの被覆定理)  

     

[トピック一覧:連続2変数関数の性質]
総目次

 

定理:有界閉集合で連続な2変数関数は有界

要旨

R2上の有界な閉集合Dで連続2変数関数Dで有界

設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台上で成立する。 
Step1平面R2を用意する。
    
*R2とは、実数2個並べた組 (x,y ) をすべてあつめた集合。
     
2次元数ベクトルをすべて集めた集合でもある。
Step2
平面R2ユークリッド距離dを定めて、
         
ユークリッド平面(R2,d)を設定。
Step3平面R2上の点集合のひとつを選んで、集合Dと名づける。
    つまり、「
DR2」 
    
*Dは、「2次元数ベクトルの集合」とも呼べる。 
Step4平面R2上の点集合Dで定義された2変数関数 f を用意。
    つまり、
f : DR DR2 ) 
        
z=f(P) ( zR, PDR2 ) , 
        
z=f(x,y) ( zR, (x, y)DR2 ) 
    
*fは「D属す2次元数ベクトルから実数への対応付け」
     だとも言える。
Step5:「平面R2上の点集合D」に属す2を、P=(x, y),Q=(x', y')と名づける。
    つまり、「
P, QDR2」  
    
*P, Qは、「D属す2次元数ベクトル」といってもよい。


[類例] 
 
1変数関数のケース
[一般化] n変数関数のケース/ベクトル値関数のケース/距離空間のあいだの写像のケース 

[文献]
木『
解析概論』定理13(p.26);
小平『解析入門U』定理6.3(p.263):証明付;
吹田・新保『理工系の微分積分学p. 160.
杉浦『解析入門I』定理7.3(p.68):証明付;
ルディン『現代解析学4.15(p.87)距離空間一般上。

定理

命題P
 「2変数関数f (P)f (x,y)が、R2上の点集合Dで連続
が成り立ち、
かつ
命題
Q
 「R2上の点集合D有界な閉集合である」
が成り立つ
ならば
命題
R2変数関数f (P)f (x,y)は、点集合Dで有界
が成り立つ。

[予備情報]
・命題
QR2上の点集合D有界な閉集合である」
 
命題Q'R2上の点集合D点列コンパクトである」
   
(ハイネ・ボレル・ルベークの被覆定理) 
・命題
R2変数関数f (P)は、点集合Dで有界
 
命題R'「『2変数関数f による点集合Dの像f (D)
            
R上の点集合として有界
   (∵
有界関数の定義) 

証明

定理より、命題Pかつ命題Qならば、「『f による点集合Dの像f (D)は、R上の点集合として有界閉集合」。
 つまり、命題
Pかつ命題Qならば、「『f による点集合Dの像f (D)は、R上の有界な点集合」。
有界関数の定義より、
 「
2変数関数f (P)f (x,y)は、点集合Dで有界」とは、
 「『
f による点集合Dの像f (D)が、R上の有界な点集合である」の意。
・以上
2点から、命題Pかつ命題Qならば、命題R2変数関数f (P)f (x,y)は、点集合Dで有界」が成り立つといえる。

     

[トピック一覧:連続2変数関数の性質]
総目次

2変数関数の最大値・最小値定理

要旨

有界な閉集合Dで連続2変数関数には、Dにおける最大値最小値が存在する。

設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台上で成立する。 
Step1平面R2を用意する。
    
*R2とは、実数2個並べた組 (x,y ) をすべてあつめた集合。
     
2次元数ベクトルをすべて集めた集合でもある。
Step2
平面R2ユークリッド距離dを定めて、
         
ユークリッド平面(R2,d)を設定。
Step3平面R2上の点集合のひとつを選んで、集合Dと名づける。
    つまり、「
DR2」 
    
*Dは、「2次元数ベクトルの集合」とも呼べる。 
Step4平面R2上の点集合Dで定義された2変数関数 f を用意。
    つまり、
f : DR DR2 ) 
        
z=f(P) ( zR, PDR2 ) , 
        
z=f(x,y) ( zR, (x, y)DR2 ) 
    
*fは「D属す2次元数ベクトルから実数への対応付け」
     だとも言える。
Step5:「平面R2上の点集合D」に属す2を、P=(x, y),Q=(x', y')と名づける。
    つまり、「
P, QDR2」  
    
*P, Qは、「D属す2次元数ベクトル」といってもよい。



[類例]1変数関数の最大値最小値定理 
[一般化] n変数関数の最大値最小値定理/距離空間のあいだの写像のケース 

[文献]
木『
解析概論』定理13(p.26);
小平『解析入門U』§6.1定理6.3(p.263):証明付
吹田・新保『
理工系の微分積分学p. 160.
杉浦『解析入門I』定理7.3(p.68):証明付;
ルディン『現代解析学4.16(p.87)距離空間一般上。

定理

命題P
 「2変数関数f (P)f (x,y)が、R2上の点集合Dで連続である」
が成り立ち、
かつ
命題
Q
 「R2上の点集合D有界な閉集合である」
が成り立つ
ならば
命題
R
 「2変数関数f (P)f (x,y)の、点集合Dにおける最大値最小値が存在する」
が成り立つ。

証明

定理より、命題Pかつ命題Qならば、「『f による点集合Dの像f (D)は、R上の点集合として有界閉集合」。
定理より、R上の点集合として有界閉集合には、その最大元最小元が存在する。
・上記2点より、
 命題
Pかつ命題Qならば
  『
f による点集合Dの像f (D)には、その最大元 max f (D)最小元 min f (D)が存在する。
・「
f 点集合Dにおける最大値最小値」の定義は、max f (D)min f (D)であったから、
 上記は、
  命題
Pかつ命題Qならば、命題Rf 点集合Dにおける最大値最小値が存在する」
 と言換えてよい。 

     

[トピック一覧:連続2変数関数の性質]
総目次

ハイネの定理:有界閉集合上連続な関数はそこで一様連続

設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台上で成立する。 
Step1平面R2を用意する。
    
*R2とは、実数2個並べた組 (x,y ) をすべてあつめた集合。
     
2次元数ベクトルをすべて集めた集合でもある。
Step2
平面R2ユークリッド距離dを定めて、
         
ユークリッド平面(R2,d)を設定。
Step3平面R2上の点集合のひとつを選んで、集合Dと名づける。
    つまり、「
DR2」 
    
*Dは、「2次元数ベクトルの集合」とも呼べる。 
Step4平面R2上の点集合Dで定義された2変数関数 f を用意。
    つまり、
f : DR DR2 ) 
        
z=f(P) ( zR, PDR2 ) , 
        
z=f(x,y) ( zR, (x, y)DR2 ) 
    
*fは「D属す2次元数ベクトルから実数への対応付け」
     だとも言える。
Step5:「平面R2上の点集合D」に属すを、P=(x, y)と名づける。
    つまり、「
PDR2」  
    
*Pは、「D属す2次元数ベクトル」といってもよい。



[予備知識]点での連続性/Dで連続:δが各AD毎にちがっていてもよい/Dで一様連続:すべてのADに共通なδ
[類例]1変数関数のケース
[一般化] n変数関数のケース/ベクトル値関数のケース/距離空間のあいだの写像のケース

[文献]
小平『
解析入門U』定理6.2(p.262):証明付
吹田・新保『
理工系の微分積分学p. 160.
木『解析概論』定理14(p.27)
杉浦『解析入門I』W章積分§4連続関数の可積分性-定理4.1(p. 226):ベクトル値関数一般・証明付;
ルディン『現代解析学4.19(p.88):距離空間一般上:証明付。

定理

命題P2変数関数f (P)f (x,y)が、R2上の点集合Dで連続
 が成り立ち、
かつ
命題
QR2上の点集合D有界な閉集合(コンパクト)である」
 が成り立つ
ならば
命題
R2変数関数f (P)f (x,y)は、点集合Dで一様連続

[予備情報]
 命題
QR2上の点集合D有界な閉集合である」
 
命題Q'R2上の点集合D点列コンパクトである」
   
(ハイネ・ボレル・ルベークの被覆定理) 

証明

2変数関数に限定:小平『解析入門U』定理6.2(p.262)
n
変数関数一般:
ベクトル値関数一般:杉浦『
解析入門I』W章積分§4連続関数の可積分性-定理4.1(p. 226)
距離空間から距離空間への関数一般:ルディン『現代解析学4.19(p.88)

   

[トピック一覧:連続2変数関数の性質]
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中間値定理 intermediate value theorem

要旨

Dで連続2変数関数fは、f (P)f (Q)とすると、D上でf (P)f (Q)の間の全ての値をとる。

設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台上で成立する。 
Step1平面R2を用意する。
    
*R2とは、実数2個並べた組 (x,y ) をすべてあつめた集合。
     
2次元数ベクトルをすべて集めた集合でもある。
Step2
平面R2に距離dを定めて、距離空間(R2,d)を設定。
    
*普通は、平面R2ユークリッド距離を与えて
              
ユークリッド平面を考える。 
Step3平面R2上の弧状連結な点集合を選んで、集合Dと名づける。
    つまり、「
DR2
        
かつ
        
点集合Dに属す任意の2を結ぶ曲線を点集合S含む
    
*Dは、弧状連結な2次元数ベクトルの集合」とも呼べる。 
Step4平面R2上の点集合Dで定義された2変数関数 f を用意。
    つまり、
f : DR DR2 ) 
        
z=f(P) ( zR, PDR2 ) , 
        
z=f(x,y) ( zR, (x, y)DR2 ) 
    
*fは「D属す2次元数ベクトルから実数への対応付け」
     だとも言える。
Step5:「平面R2上の弧状連結な点集合D」に属すを、
    
P=(x, y) , Q=(xq, yq) , R=(xr, yr) , S=(xs, ys) と名づける。
    つまり、「
P,Q,R,SDR2」  
    
*Pは、「D属す2次元数ベクトル」といってもよい。


[類例]1変数関数の中間値定理 
[一般化] n変数関数の中間値定理/ベクトル値関数のケース/距離空間のあいだの写像のケース


[文献]
木『
解析概論』定理12(pp.26-7):証明付
吹田・新保『
理工系の微分積分学6章U-7(p. 161):木と同じ証明付.
杉浦『解析入門II-8-問題13(p.80);解答.(p.405):木と同じ.
高橋『経済学とファイナンスのための数学p.145;

定理

2変数関数f (P)f (x,y)が、R2上の弧状連結な点集合Dで連続ならば
弧状連結な点集合D属しかつf (Q)f (xq, yq)<f (R)f (xr, yr)」を満たす限りで任意のQ=(xq, yq),R=(xr, yr)にたいして、
「『
f (Q)f (xq, yq) < c < f (R)f (xr, yr)』を満たす限りで任意の実数cにたいして、
  『
弧状連結な点集合D属しかつf (S)f (xs, ys)=c』を満たすS=(xs, ys)が存在する。」
が成立する。
論理記号で表すと、
f (P)f (x,y)が、R2上の弧状連結な点集合Dで連続
  
( Q,R D ) ( f (Q)<f (R) ( cR ) ( f (Q) < c < f (R) (SD ) ( f (S)c ) ) )
なぜ?→証明

関連事項:1変数関数についての中間値定理

     

[トピック一覧:連続2変数関数の性質]
総目次

定理:2変数連続関数による領域の像は、区間

要旨

R2上の領域Dで連続2変数関数によるDの像は「R上の区間」。

設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台上で成立する。 
Step1平面R2を用意する。
    
*R2とは、実数2個並べた組 (x,y ) をすべてあつめた集合。
     
2次元数ベクトルをすべて集めた集合でもある。
Step2
平面R2に距離dを定めて、距離空間(R2,d)を設定。
    
*普通は、平面R2ユークリッド距離を与えて
              
ユークリッド平面を考える。 
Step3平面R2上の点集合のひとつを選んで、集合Dと名づける。
    つまり、「
DR2」 
    
*Dは、「2次元数ベクトルの集合」とも呼べる。 
Step4平面R2上の点集合Dで定義された2変数関数 f を用意。
    つまり、
f : DR DR2 ) 
        
z=f(P) ( zR, PDR2 ) , 
        
z=f(x,y) ( zR, (x, y)DR2 ) 
    
*fは「D属す2次元数ベクトルから実数への対応付け」
     だとも言える。 



[一般化] n変数関数のケース/ベクトル値関数のケース/距離空間のあいだの写像のケース

[文献]
小平『
解析入門U』定理6.4(p.263):証明付;
ルディン『現代解析学4.22(p.91)距離空間一般上。

定理

命題P2変数関数f : DR DR2 )が、R2上の点集合Dで連続である」が成り立ち、
かつ
命題
QR2上の点集合D領域である」が成り立つ
ならば
命題
R2変数関数f による点集合Dの像f (D)は、R上の区間である」が成り立つ。

     

[トピック一覧:連続2変数関数の性質]
総目次

 

定理:2変数連続関数による有界な閉領域の像は、閉区間

要旨

R2上の閉領域Dで連続2変数関数によるDの像は「R上の閉区間」。

設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台上で成立する。 
Step1平面R2を用意する。
    
*R2とは、実数2個並べた組 (x,y ) をすべてあつめた集合。
     
2次元数ベクトルをすべて集めた集合でもある。
Step2
平面R2に距離dを定めて、距離空間(R2,d)を設定。
    
*普通は、平面R2ユークリッド距離を与えて
              
ユークリッド平面を考える。 
Step3平面R2上の点集合のひとつを選んで、集合Dと名づける。
    つまり、「
DR2」 
    
*Dは、「2次元数ベクトルの集合」とも呼べる。 
Step4平面R2上の点集合Dで定義された2変数関数 f を用意。
    つまり、
f : DR DR2 ) 
        
z=f(P) ( zR, PDR2 ) , 
        
z=f(x,y) ( zR, (x, y)DR2 ) 
    
*fは「D属す2次元数ベクトルから実数への対応付け」
     だとも言える。



[一般化] n変数関数のケース/ベクトル値関数のケース/距離空間のあいだの写像のケース


[文献]
小平『
解析入門U』定理6.5(p.264):証明付;

定理

命題P2変数関数f : DRDR2 )が、R2上の点集合Dで連続である」が成り立ち、
かつ
命題
QR2上の点集合D有界な閉領域である」が成り立つ
ならば
命題
R2変数関数f による点集合Dの像f (D)は、R上の閉区間である」が成り立つ。

     

[トピック一覧:連続2変数関数の性質]
総目次

reference

岩波数学辞典(第三版)』項目441連続関数 (pp.1329-1331).

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.148-160.

高木貞治『解析概論 改訂第三版』岩波書店、1983年、pp. 26-8.

小平邦彦『解析入門II(軽装版)岩波書店、2003年、pp.260-264.

和達三樹『理工系の数学入門コース1・微分積分』岩波書店、1988年、pp.115-6.

吹田・新保『理工系の微分積分学』学術図書出版社、1987年、pp.160-1

杉浦光夫『解析入門』岩波書店、1980年、pp.55-56;74-75. 極限の定義が特殊なので注意。

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.144-146.

ルディン『現代解析学』共立出版、1971年、4.5-4.24(pp.83-91)。一般の距離空間の上で論じている。

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