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近づくとはどういうことか?関数の極限とイプシロンデルタ論法

「 が に近づくと が に近づく」という説明は、近づくという言葉で近づくことを説明しています。絵としては分かっても、証明の材料にはならない。

- 論法はこの循環を切ります。動きを追いかけるのをやめ、 つの不等式の関係に置きかえる方法です[1]。

以下では定義を書き下し、量化子の順序がなぜ本質なのかを見ます。そのあと計算例を並べ、片側極限や無限大の場合、極限が存在しないことの示し方、数列による言いかえまで扱います。

定義

を の近くで定義された関数とします。 とは、次が成り立つことです[1,2]。

は出力側に許す誤差、 は入力側で確保する幅です。「 を から 未満に収めたいなら、 を から 未満に収めればよい」と読みます。

近づくという動きは出てきません。どんな精度を要求されても応えられる、という静的な条件に置きかわっています。

順序が本質

つの量化子が 、、 の順に並んでいます。この順序を入れかえると別の主張になる。

が より後ろにあるので、 は を見てから選べます。要求が厳しくなれば、それに応じて幅を狭めればよい。

逆に は より後ろです。いったん を決めたら、その範囲のすべての で不等式が成り立たなければなりません。

δ は ε の関数として作る

証明では を の式で書き下します。 が存在すればよいので、最良のものを探す必要はありません。

条件を満たす が つ見つかれば、それより小さい正の数もすべて条件を満たします。ゆるく見積もってかまわない。

実際の答案では、まず を の式で上から押さえます。押さえた式が 未満になるように を逆算する、という順序です。

a 自身を除く理由

条件の左側が になっています。等号を許さないので、 は範囲から外れる。

極限は の近くでの振る舞いを見るものであり、 での値とは関係しません。 が で定義されていなくても極限は考えられます[2]。

この関数は で定義されません。それでも では に等しいので、極限は です。

が定義されていて、しかも極限と一致するとき、 は で連続だといいます。極限と連続は別の条件になります。

例 1:1 次関数

を示します。差を の式に直すところから始める。

これが 未満になればよいので、 で足ります。 と置けば終わり。

次関数では傾きで割るだけです。傾きが急なほど は小さくなります。

例 2:2 次関数

では、差が そのものです。

と置くと、 から が出ます。平方根が現れるのは、差が 次で効いているからです。

例 3:中心が 0 でない 2 次関数

になると、ひと工夫が要ります。差を因数分解します。

が に依存するので、このままでは で割れません。そこで をあらかじめ 以下に制限します。

なら で です。よって と押さえられる。

で つの条件を同時に満たします。片方は押さえを作るため、もう片方は に合わせるためです。

例 4:分数関数

を示します。通分してから絶対値をとる。

分母の が小さくなると全体が大きくなるので、 を下から押さえます。 なら で です。

と置けば示せます。分数では分母を下から押さえる、が定石です。

例 5:平方根

では、有理化が効きます。

分母は でつねに 以上です。よって となり、 で足ります。

押さえが の範囲によらない場合は、 を使う必要がありません。

例 6:三角関数

は から出ます。 で終わり。

この不等式は単位円の弧と弦の長さを比べれば見えます。弦のほうが短いので、正弦の絶対値は弧長を超えません。

例 7:はさみうち

を示します。正弦は によらず 以下です。

で足ります。 は原点近くで激しく振動しますが、 が押さえ込んでいる。

例 8:3 次関数

も同じ手順です。因数分解して残りを押さえます。

なら で です。 と置けば示せます。

次数が上がっても手順は変わりません。 を で頭打ちにして残りの因子を数で押さえる、を繰り返すだけです。

片側極限

の片側からだけ寄る場合は、条件の左側を書きかえます[1]。

右側極限は 、左側極限は です。絶対値を外して向きを固定した形になります。

両側の極限が存在して一致することと、 が存在することは同値です。片方だけ存在しても全体の極限にはなりません。

は で示せます。負の側では定義されないので、右側極限しか考えられない。

無限大がからむ場合

が大きくなる側では、 の役目を大きな数 が担います。

なら と置けば示せます。

値のほうが発散する場合は、 の役目を大きな数 が担います。

は で示せます。「いくらでも大きくできる」を不等式に直した形です。

有限の値に収束

出力側の要求が 。誤差を小さくする向きの条件

無限大に発散

出力側の要求が 。値を大きくする向きの条件

定義を否定する

極限が存在しないことを示すには、定義の否定を書きます。量化子をひっくり返す。

と が入れかわり、最後の含意が「前提が成り立つのに結論が成り立たない」の形になります。

こうして書くと、示すべきことがはっきりします。悪さをする を つ用意し、どんな に対しても反例の を作ればよい。

例 9:極限が存在しないことの証明

が存在しないことを示します。数列を 本つくると早い。

どちらも に収束します。ところが 、 で、行き先が割れる。

極限が だったとすると、両方の数列で の値が に近づかなければなりません。 と の両方には近づけないので、そんな は存在しない。

数列による言いかえ

いま使った議論は、定義の言いかえとして正式に通ります。ハイネによる特徴づけです[1,2]。

であることと、 に収束する任意の数列 (ただし )について となることは同値です。

- から数列の主張を出すのは簡単です。 をとり、数列が に収束することから番号を選べばよい。

逆向きは対偶で示します。極限が でないなら、否定の形から が つとれる。各 について に対する反例 を選ぶと、 なのに は に寄りません。

極限が存在しないことを示すときは、数列のほうが手軽です。 本つくって行き先を割れば済みます。

演算法則の証明

和については を半分ずつに割ります。、 とします。

それぞれの定義から と をとり、 と置きます。三角不等式で つに分ける。

積では を と分けます。 が の近くで有界になることを先に押さえる必要がある。

を何等分するかは、項がいくつ出るかで決まります。 項なら 等分、という具合です。

合成では成り立たない

極限は合成について素直に振る舞いません。 で が存在しても、 の極限については何も言えない[2]。

が の近くで値 をとってしまうと、 の定義から除かれていた点 が効いてきます。 が極限と食い違えばそこで壊れる。

が で連続なら大丈夫です。あるいは が の近くで を値にとらなければ成り立ちます。

連続関数どうしの合成が連続になるのは、この条件が自動的に満たされるからです。極限のまま扱うときだけ注意が要ります。

誰が作ったか

- の形をした定義は、ボルツァーノが 年に連続関数を定めるために書いたものが最初とされます[3]。

コーシーは 年の教程で極限と連続を扱い、 年には と の記号も使いました。ただし を の関数として指定することはしていません。

いまの形にまとまったのはワイエルシュトラスの 年の講義です。 の記号もこのときに導入されました[1]。

よくある誤り

を先に決めて を探す。順序が逆で、 が先です。
を範囲に入れる。 なので 自身は除かれます。
の最良値を求めようとする。存在すればよいので、ゆるい見積もりで足ります。
を使わずに押さえを作る。 のような因子は を制限してから数で押さえます。
の値を極限だと思う。両者が一致するのは連続なときだけです。
否定で と を替え忘れる。「ある に対し、どんな でも反例がある」が正しい形です。
合成の極限を自動的に入れかえる。外側の関数が連続であることを確かめてからにします。
片側極限が片方だけ存在すれば極限があると思う。両側が存在して一致することが要ります。

答案の骨は毎回同じ。 を の式で押さえ、そこから を逆算する。この 手順に落とせば、関数が変わっても迷いません。

を示すとき、 のとり方として正しいものはどれですか。

__RESULT__

で、 なら から です。 を で頭打ちにしてから と合わせます。

参考文献

[1] が定義・片側極限・無限大の場合・数列による特徴づけと歴史、[2] がドイツ語での定義と合成の反例、[3] がボルツァーノからワイエルシュトラスまでの経緯、[4] がフランス語での定式化、[5] が連続性との関係です。

Limit of a function - Wikipedia
Grenzwert (Funktion) - Wikipedia)
(ε, δ)-definition of limit - HandWiki-definition_of_limit)
Limite (mathématiques) - Wikipédia)
Continuous function - Wikipedia
近づくという言葉で近づくことを説明しても、証明の材料になりません。$\varepsilon$-$\delta$ 論法はこの循環を切り、$2$ つの不等式の関係に置きかえます。要は量化子の順序で、$\delta$ は $\varepsilon$ を見てから選べる。$1$ 次関数から分数・平方根・$x^2\sin\frac{1}{x}$ まで $9$ 例を、押さえを作ってから $\delta$ を逆算する同じ手順で解きました。$\min$ が要る場面、$a$ 自身を除く理由、定義の否定で極限がないことを示す方法、数列による言いかえ、合成では成り立たない話、ボルツァーノからワイエルシュトラスまでの経緯も扱います。