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数列の極限の定義(ε-N論法)|定義の読み方と証明の書き方

「限りなく近づく」という言い方は、そのままでは証明に使えません。近づいていく動きを、止まった不等式に置き換える必要があります。

ε-N 論法はその置き換えです。許容する誤差を相手が先に決め、こちらはそれに応じた番号を返す。やり取りをこの一往復に切り詰めたものが、収束の定義になります。

数列の収束の定義

実数列 が実数 に収束するとは、次が成り立つことをいいます。

言葉に直せば「どんな正の数 に対しても、ある自然数 が存在して、 を満たすすべての で が成り立つ」という主張です。

このとき または と書き、 をこの数列の極限と呼びます。

は と同じことです。区間 を の 近傍といいます。

近傍の言葉に移すと、定義は別の顔を見せます。 のどの 近傍を取っても、その外側にある項は有限個しかない、という主張です。

HTML
CSS
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	<rect x="70" y="105" width="360" height="30" fill="#1b81e0" opacity="0.09"></rect>
	<line x1="70" y1="30" x2="70" y2="215" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="70" y1="215" x2="440" y2="215" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="70" y1="120" x2="430" y2="120" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></line>
	<line x1="70" y1="105" x2="430" y2="105" stroke="#1b81e0" stroke-width="1" stroke-dasharray="4 3"></line>
	<line x1="70" y1="135" x2="430" y2="135" stroke="#1b81e0" stroke-width="1" stroke-dasharray="4 3"></line>
	<line x1="180" y1="50" x2="180" y2="215" stroke="#d0562a" stroke-width="1" stroke-dasharray="4 3"></line>
	<circle cx="80" cy="50" r="3" fill="#9a9a9a"></circle>
	<circle cx="105" cy="155" r="3" fill="#9a9a9a"></circle>
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	<circle cx="205" cy="132" r="3" fill="#1b81e0"></circle>
	<circle cx="230" cy="110" r="3" fill="#1b81e0"></circle>
	<circle cx="255" cy="129" r="3" fill="#1b81e0"></circle>
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	<circle cx="305" cy="127" r="3" fill="#1b81e0"></circle>
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	<circle cx="380" cy="115" r="3" fill="#1b81e0"></circle>
	<circle cx="405" cy="125" r="3" fill="#1b81e0"></circle>
	<text x="52" y="124" font-size="11" fill="#1b81e0">α</text>
	<text x="26" y="109" font-size="11" fill="#9a9a9a">α + ε</text>
	<text x="26" y="139" font-size="11" fill="#9a9a9a">α - ε</text>
	<text x="196" y="40" font-size="11" fill="#1f1f1f">N 以降の項はすべて帯の中に入る</text>
	<text x="176" y="232" font-size="11" fill="#d0562a">N</text>
	<text x="432" y="232" font-size="11" fill="#9a9a9a">n</text>
</svg>

帯の幅が 、帯に入りきる境目の番号が です。帯の外にいるのは灰色の 4 項だけで、そこから先はすべて中に収まっています。

を小さくすれば帯は細くなり、境目は右へ動きます。どこまで細くしてもいつかは全部入る、というのが収束の内容です。

定義の意味

は許容する誤差です。相手がどれだけ小さな を出してきても、こちらは条件を満たす を用意できる、という形の主張になっています。

は に依存します。帯を細くすれば、中に入りきるまでに必要な番号は一般に大きくなるからです。依存を強調して と書くこともあります。

は一意ではありません。ある で条件が成り立てば、それより大きいどの番号でも成り立ちます。

したがって最小の を求めることは定義の要求に含まれていません。証明では、扱いやすい を大まかに取れば十分です。

すべての正の数より小さい非負の数は 0 である

が、すべての に対して を満たすとします。このとき です。

証明は一行で済みます。 と仮定すれば が取れて となり、これは矛盾です。

当たり前に見えますが、ε-N 論法の締めくくりでは繰り返しこれを使います。「 を任意に取って不等式を示し、最後に を消す」という運び方は、すべてこの補題に支えられています。

量化子の順序

定義では のほうが より先です。この順序を入れ替えると、まったく別の主張になります。

を先に固定してから、あとから来るあらゆる に耐えろ、という条件です。 では がすべての正の数より小さいので、前節の補題から が出ます。

つまりこの条件は「途中から定数 になる」ことと同値です。収束を表すどころか、ほとんどの数列を排除してしまいます。

が先

を受け取ってから を決める。 は に依存してよい。ふつうの収束の定義。

が先

を先に決め、あらゆる に耐えることを要求する。 で となることと同値。

量化子の順序は書き方の癖ではなく、主張そのものを決めています。読むときは と の並びを先に確認するのが確実です。

定義を書き換えても変わらないところ

定義のいくつかの部分は、書き換えても意味が変わりません。教科書ごとの流儀の違いは、たいていここに収まります。

不等号を にしてよい

に変えても同値になる。与えられた に対して 版の条件を使えば、 となる。

を にしてよい

を 1 つずらすだけで移り合う。どちらの流儀の教科書もある。

を小さい範囲に限ってよい

についてだけ確かめれば十分である。 の場合は の条件から従う。

を定数倍してよい

に依存しない について が示せれば、収束が従う。 に対して同じ議論を回せばよい。

最後の言い換えはとくに役に立ちます。証明の途中で や が出てきても、係数をそろえ直す手間は不要です。

具体例: の収束

示したいのは です。

任意の を取ります。アルキメデスの原理により となる自然数 が存在します。

のとき、次の評価が成り立ちます。

定義を満たすので です。

なら で足ります。 なら です。 が 100 分の 1 になると は 100 倍になり、この比例関係がそのまま収束の速さを表しています。

アルキメデスの原理はどこから来るか

前節の証明はアルキメデスの原理に寄りかかっています。これは自明な事実ではなく、実数の連続性から導かれる定理です。

証明の要にあるアルキメデスの原理は、実数がどれだけ大きな数も自然数で追い越せることを保証します。

どんな実数 と正の数 に対しても、 となる自然数 が存在するという主張。

背理法で示します。ある と について、すべての自然数 で が成り立つとします。

すると集合 は上に有界なので、上限 を持ちます。 は上界ではないので、 となる が必ず存在するはずです。

両辺に を足すと となり、 が上界であることに矛盾します。

上限の存在を使っているところが肝心です。順序体でありさえすればよいわけではありません。有理関数体 に をすべての実数より大きいとする順序を入れると、どの自然数 でも となり、アルキメデス性は破れます。

具体例: の収束

示したいのは です。まず差を通分して整理します。

ここで分母を小さく見積もります。 なので、右辺は より小さいはずです。

アルキメデスの原理から となる を取れば、 で です。

分母を小さくして分数全体を大きく見積もる、というのが定石です。 を最小に追い込む必要はありません。 より小さいことさえ言えれば、定義は満たされています。

具体例: が 1 に等しい理由

小数点以下に 9 が 個並ぶ数を とします。 です。

であり、 から が成り立ちます。

アルキメデスの原理より を取れば、 で となります。

という等式は、この極限のことを指しています。左辺は「1 よりわずかに小さい別の数」ではなく、数列 の極限を表す記号です。

極限が 1 である以上、等号は文字どおりの意味で成り立っています。無限小数という記法が極限の省略形だと知れば、不思議に見えていたところは消えます。

具体例:等比数列の収束

のとき です。 は明らかなので とします。

なので と書けて、 です。ベルヌーイの不等式 を使います。

アルキメデスの原理から となる が取れます。 ならば です。

は から決まる定数で、 には依存しません。 が 1 に近いほど は小さく、必要な は大きくなります。

のときは発散し、 は 1 に収束する定数列です。 の場合は後で扱います。

具体例: の収束

分子が 1 次で分母は指数なので 0 に収束しそうです。それを不等式で確かめます。

のとき、二項定理の展開から 1 項だけ残せば次が得られます。

したがって です。

かつ を満たす自然数 を取れば、 で です。

展開のうち都合のよい 1 項だけを残す、という削り方がここでの要点になります。全部の項を扱う必要はありません。

具体例: の 乗根の収束

を示します。 では なので、 と置くと です。

両辺を 乗し、二項展開のうち 2 次の項だけを残します。

整理すると 、つまり です。

かつ を取れば、 で となります。

ベルヌーイの不等式では足りません。 からは しか出ず、1 未満だとわかるだけで 0 に近づく根拠になりません。2 次の項まで残す必要があります。

同じ手を ()に使うと、 から が出ます。こちらは分子が定数なので、1 次の項だけで十分です。

収束しないことの証明

収束しないことを示すには、定義の否定を機械的に作ります。 が に収束しないとは、次が成り立つことです。

と を入れ替え、最後の不等式を否定しただけです。「ある については、どこまで先へ行っても帯の外へ出る項がある」と読みます。

数列が発散するというためには、これがすべての実数 について成り立つことを示さなければなりません。 を 1 つ選んで否定するだけでは足りません。

具体例: は収束しない

と取ります。実数 を任意に固定すると、偶数番目では 、奇数番目では です。

三角不等式から が成り立つので、少なくとも一方は 1 以上になります。

なら偶数の を、 なら奇数の を選びます。どちらもいくらでも大きく取れるので、否定の条件が満たされるわけです。

は任意だったので、 はどの実数にも収束しません。1 と という 2 つの値のあいだを往復し続けるからです。

無限大への発散

収束しない数列のうち、際限なく大きくなるものは別に名前がついています。 が に発散するとは、次が成り立つことです。

が「小さい誤差」だったのに対し、 は「大きい基準」です。論理式の形は同じで、押さえ込む向きだけが逆になっています。

収束の定義

どんなに小さい を出されても、ある番号から先はすべて との差が 未満になる。

正の無限大への発散

どんなに大きい を出されても、ある番号から先はすべて を超える。

は に発散します。アルキメデスの原理から となる自然数が取れるからです。

発散と振動は区別します。 はどの実数にも収束せず、 にも にも発散しません。この場合を振動といいます。

極限の一意性

かつ ならば です。

任意の を取ります。前者から 、後者から が得られ、 では両方の不等式が同時に成り立ちます。

そのような を 1 つ選び、三角不等式で と をつなぎます。

は任意なので、はじめに置いた補題から 、すなわち です。

HTML
CSS
JavaScript
<svg viewBox="0 0 460 150" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<line x1="40" y1="85" x2="430" y2="85" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="95" y1="85" x2="245" y2="85" stroke="#1b81e0" stroke-width="4"></line>
	<line x1="245" y1="85" x2="395" y2="85" stroke="#d0562a" stroke-width="4"></line>
	<line x1="95" y1="76" x2="95" y2="94" stroke="#1b81e0" stroke-width="1"></line>
	<line x1="245" y1="72" x2="245" y2="98" stroke="#9a9a9a" stroke-width="1"></line>
	<line x1="395" y1="76" x2="395" y2="94" stroke="#d0562a" stroke-width="1"></line>
	<circle cx="170" cy="85" r="3.5" fill="#1f1f1f"></circle>
	<circle cx="320" cy="85" r="3.5" fill="#1f1f1f"></circle>
	<text x="167" y="110" font-size="11" fill="#1f1f1f">α</text>
	<text x="317" y="110" font-size="11" fill="#1f1f1f">β</text>
	<text x="126" y="62" font-size="11" fill="#1b81e0">α の ε 近傍</text>
	<text x="278" y="62" font-size="11" fill="#d0562a">β の ε 近傍</text>
	<text x="96" y="136" font-size="11" fill="#9a9a9a">ε を距離の半分に取ると、2 つの近傍は重ならない</text>
</svg>

図で見ると事情がはっきりします。 なら を距離の半分に取ることで 2 つの 近傍が離れ、同じ項が両方に入ることはできなくなります。

背理法で書くならこの形になり、補題を使えば背理法なしで済みます。どちらも中身は同じで、 を距離に比べて小さく取ったところが要です。

有界性

収束する数列は有界です。 ならば、ある が存在してすべての で となります。

に対応する を取ります。 では三角不等式から です。

残るのは の有限個だけなので、最大値が取れます。

で を取る

以降を で押さえる

残った有限個の最大値と合わせる

有限個なら最大値が取れる、という一点だけが効いています。無限個の項を一度に押さえようとすると行き詰まるので、 で切って前後を別々に扱います。

逆は成り立ちません。 は で有界ですが、収束しない例でした。

極限の和

、 のとき です。

任意の に対し、 側は を使って 、 側も を使って を取ります。

とすれば、 で次が成り立ちます。

誤差を 2 つに割り振るこの手口を 論法といいます。3 か所に分けたければ にすればよく、定数倍の言い換えを認めるなら割り振り自体が不要です。

極限の積

です。差を 2 つに分けるところから始めます。

は収束するので有界です。 となる を取り、 と置けば で、 と が同時に成り立ちます。

側と 側をそれぞれ で押さえると、次のようにまとまります。

有界性がここで効いています。 をいくら小さくしても、 が際限なく大きくなれば積は小さくなりません。

極限の商

かつ のとき です。これと積の結果を合わせれば、商の場合が出ます。

まず分母が 0 から離れることを示します。 に対応する を取れば、 では次のとおりです。

とくに では なので、 が定義できます。この範囲で差を評価します。

となる を取り、 とすればよいわけです。

はじめの数項で になっていても構いません。極限は先の挙動だけで決まるので、有限個の項は結論に影響しないからです。

順序の保存

十分大きいすべての で が成り立ち、両方が収束するなら です。

、 と置き、 と仮定します。 を取ると、十分大きい で と が同時に成り立つはずです。

と はどちらも に等しいので、 となって仮定に反します。

狭義の不等号は保たれません。 と はすべての で ですが、極限はどちらも 0 です。

極限を取ると差が潰れることがある、と覚えておけば十分です。不等号が緩む方向にしか動かないので、 で書いておけば安全になります。

はさみうちの原理

十分大きい で が成り立ち、 かつ ならば です。

任意の に対し、 側の と 側の を取り、挟み込みが成り立つ番号と合わせて を決めます。 では次の 4 つが一列に並びます。

両端だけを見れば です。

が収束することを仮定していないところが要点です。挟むだけで、収束することと極限の値が同時に手に入ります。

たとえば から が出ます。 自体は収束しませんが、 に押さえられるので結論は言えます。

数列 について「ある が存在して、すべての とすべての で が成り立つ」という条件を考える。この条件の意味はどれか。

  • ふつうの収束の定義と同じ意味である
  • ではすべて となる
  • 数列が有界であることと同値である
  • どんな数列でも自動的に成り立つ
__RESULT__

を先に固定しているので、 では がすべての正の数より小さいことになる。非負でそうなる数は 0 だけである。

参考文献

Limit of a sequence
(ε, δ)-definition of limit-definition_of_limit)
Grenzwert (Folge))
Epsilontik
Limite d'une suite
数列极限
Limit of nth root of n
Maths220: Proofs in calculus
Suites numériques
Suites réelles et complexes
Limite d'une suite : Suites de nombres réels
华师大数学分析 第二章 数列极限
Konvergenz von Folgen
The Archimedean Property
数列の収束を、ε と N の不等式で定義する。量化子の順序が意味を決めていることを確かめ、具体例ごとに N の取り方を示したうえで、一意性・有界性・四則演算・はさみうちを定義だけから証明する。