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English

幅 δ が点によらないかどうか - 連続性と一様連続性の判定

全体で連続ですが、一様連続ではありません。 が大きいところほど傾きが急で、同じ に対して を狭めつづける必要があるからです。

違いは量化子の順序 つです。連続では点ごとに を選び直せますが、一様連続では つの が全体で効かなければなりません[1]

以下は 問です。定義からの証明、一様連続でないことの示し方、リプシッツとヘルダー、閉区間での自動的な成立、拡張の定理まで並べました。

順序が違うだけ

つの定義を並べます[1]

連続

の両方に依存してよい

一様連続

だけで決まり、 に依存できない

の前に出ました。それだけの違いで、成り立つ範囲が大きく変わります。

証明を書いたとき、 の式に が残っていれば連続まで、残らなければ一様連続まで示せたことになります。

問題 1:定義から連続を示す

で連続であることを示せ。

解答 1

任意の をとります。差を因数分解します。

なら で、 です。

の式に が入っています。点ごとに選び直しているので、示せたのは連続までです。

問題 2:一様連続でないことを示す

で一様連続でないことを示せ。

解答 2

否定を書きます。ある に対し、どんな にも反例の 点があればよい。

とします。任意の に対して次の 点をとります。

ですが、差は を超えます。

をどれだけ小さくしても、遠くへ行けば反例が作れます。傾きが有界でないことが原因です。

問題 3:平方根は一様連続

で一様連続であることを示せ。

解答 3

とします。次の不等式が成り立ちます。

両辺を 乗すると 、つまり で、 から従います。

と置けば です。

が入っていません。原点で傾きが無限になるのに一様連続、という点が意外なところです。

問題 4:閉区間なら自動的に成り立つ

で連続なら一様連続であることを示せ。

解答 4

ハイネ・カントールの定理です[1]。背理法で示します。

一様連続でないとすると、ある つの列があって次を満たします。

は有界閉なので、 は収束する部分列を持ちます。 とする。

なので でもあります。 での連続性から、両方の像が に行く。

差が に行くことになり、 以上という仮定と矛盾します。

有界閉区間では、連続と一様連続が一致します。区別が要るのは、開区間や無限区間だけです。

問題 5:開区間では成り立たない

で一様連続でないことを示せ。

解答 5

とします。差は です。

ところが像の差は一定以上です。

に対する がとれません。原点に近づくほど傾きが急になるためです。

閉区間 )に制限すれば一様連続になります。問題は原点が入っていない開き方にあります。

問題 6:振動する例

で連続だが一様連続でないことを示せ。

解答 6

の各点では、合成関数として連続です。 が連続だからです。

つの列をとります。

どちらも に行き、差も に行きます。ところが値は で離れたままです。

に対する がとれません。値が有界でも、振動が速ければ一様連続にはならない。

問題 とは事情が違います。あちらは値が発散し、こちらは有界のまま振動しています。

canvas: 絵を作れませんでした

問題 7:リプシッツ連続

がリプシッツ連続であることを示し、一様連続を導け。

解答 7

平均値の定理から、 のあいだに があって次が成り立ちます。

定数 でリプシッツ条件を満たします[2] と置けば一様連続です。

導関数が有界であることとリプシッツ連続であることは、微分できる関数では同値になります[2]

が一様連続でなかったのは、導関数 が有界でないからです。 つの結果がつながります。

問題 8:ヘルダー連続

)が で一様連続であることを示せ。

解答 8

が成り立ちます。これがヘルダー条件です[2]

と置きます。 なら差は 未満です。

がリプシッツ、 がヘルダーです。原点で微分できなくても一様連続になります。

問題 の場合にあたります。

問題 9:一様連続の積

が一様連続で有界なら、積 も一様連続であることを示せ。

解答 9

とします。差を つに割ります。

等分し、それぞれの一様連続性から をとります。 です。

有界性を落とすと成り立ちません。 で一様連続ですが、積の はそうではない。

問題 10:拡張の定理

で一様連続なら、 に連続に拡張できることを示せ。

解答 10

となる列をとります。一様連続性から はコーシー列です。

なら となり、 が収束することから条件が満たされる。

実数の完備性から は収束します。極限を とします。

が列の選び方によらないことも、一様連続性から出ます。 本の列を交互に並べた列を考えればよい。

と定めれば連続に拡張されます[1] が拡張できないのは、一様連続でないからです。

問題 11:至るところ不連続

ディリクレ関数(有理数で 、無理数で )がどの点でも不連続であることを示せ。

解答 11

を有理数とします。 に収束する無理数の列 がとれます。

なので、極限と値が一致しません。

が無理数なら、有理数の列で同じことが起きます。どちらの場合も不連続です。

有理数も無理数もどちらも稠密であることが効いています。どの点のどんな近傍にも、両方の値が現れる。

問題 12:片方だけ連続

トマエ関数(既約分数 、無理数で )の連続性を調べよ。

解答 12

無理数 で連続です[3] に対し、 となる分母 は有限個しかありません。

そうした分数も、 の近くには有限個しかない。それらを避けるように をとれば、 になります。

有理数 では不連続です。 なのに、近くの無理数で値が だからです。

不連続点も連続点もどちらも稠密です。それでもリーマン積分は可能で、値は になります[3]

問題 13:区間を変えると変わる

で一様連続であることを示せ。

解答 13

問題 のハイネ・カントールの定理から直ちに従います。有界閉区間で連続だからです。

直接示すこともできます。 なので、押さえが点によりません。

で足ります。リプシッツ定数が になった形です。

同じ関数でも、区間を有界に切れば一様連続になります。関数だけでなく定義域とセットで判定します。

問題 14:無限区間でも一様連続な例

で一様連続かどうか判定せよ。

解答 14

導関数は で、有界ではありません。リプシッツではない。

一様連続でもありません。 つの列をとります。

差は です。ところが値は で離れたまま。

有界な関数でも一様連続とはかぎりません。振動が速くなることが原因で、問題 と同じ形です。

問題 15:判定の手順

与えられた関数と区間について、一様連続かどうかを判定する手順をまとめよ。

解答 15

順に見ます。まず定義域が有界閉なら、連続でありさえすれば一様連続です[1]

そうでなければ導関数を見ます。有界ならリプシッツで、一様連続になります[2]

導関数が有界でなくても、 のようにヘルダー条件を満たせば一様連続です。

どれも当たらなければ、 つの列で否定を示します。差が に行くのに像の差が離れたままの組を探す形です。

定義域が有界閉か

導関数が有界か

ヘルダー条件を満たすか

どれも当たらなければ 2 つの列で否定する

つまずきやすいところ

順序と定義域で誤ります。

の式に点が残ったまま一様連続と言う

が入っていれば、示せたのは連続までです。

関数だけで判定する

同じ でも、 では一様連続でなく では一様連続です。

有界なら一様連続だと思う

も有界ですが、一様連続ではありません。

否定で を任意にとる

つ具体的に選び、どんな にも反例があることを示します。

が点に依存しているかどうか。答案を読み返してこの 点を確かめれば、どちらを示したかが分かります。

が一様連続になる区間はどれですか。

__RESULT__

では導関数 の絶対値が 以下で有界です。リプシッツ連続なので一様連続になります。原点を含む側では傾きが際限なく急になります。

よくある誤り

の式に点が残ったまま一様連続と結論する。連続までしか示せていません。
関数だけを見て判定する。定義域とセットで決まります。
有界な関数は一様連続だと思う。 が反例です。
閉区間でも一様連続でない場合があると思う。連続なら自動的に成り立ちます。
導関数が有界でなければ一様連続でないと思う。 が反例です。
一様連続の積がつねに一様連続だと思う。有界性が要ります。
否定を示すときに を任意にとる。 つ選んで反例の列を作ります。

判定は定義域を見るところから始まる。有界閉なら終わり、そうでなければ傾きを見ます。

参考文献

[1] が一様連続の定義・量化子の順序・ハイネ・カントールの定理・拡張の定理、[2] がリプシッツ連続とヘルダー連続および導関数との関係、[3] がトマエ関数、[4] がドイツ語での定式化、[5] がディリクレ関数です。

Uniform continuity - Wikipedia
Lipschitz continuity - Wikipedia
Thomae's function - Wikipedia
Gleichmäßige Stetigkeit - Wikipedia
Dirichlet function - Wikipedia
$x^2$ は $\mathbb{R}$ 全体で連続ですが一様連続ではありません。違いは量化子の順序だけで、$\exists\delta$ が $\forall x$ の前に出るかどうか。答案の $\delta$ に点が残っていれば、示せたのは連続までです。$15$ 問で、有界閉区間なら自動的に成り立つこと、導関数が有界ならリプシッツで済むこと、$\sqrt{x}$ のようにヘルダー条件で足りる場合を扱いました。$\sin\frac1x$ と $\sin(x^2)$ は有界でも一様連続にならない。ディリクレ関数とトマエ関数、開区間から閉区間への拡張の定理まで並べています。