関数列から収束する部分列をとり出す(アスコリ・アルツェラの定理)
有界な数列からは収束する部分列がとれる。ボルツァーノ・ワイエルシュトラスの定理である。
関数列では、有界なだけでは足りない。 は でどれも 以下だが、一様収束する部分列を 1 つも持たない。
足りないものが同程度連続性である。有界性と組み合わせると部分列がとり出せる。これがアスコリ・アルツェラの定理[1]。
有界なだけでは足りない
を で見る。各点での極限は、 なら 、 なら になる。
極限が不連続なので、一様収束はありえない。一様収束の極限は連続だからである。
部分列をとっても各点での極限は変わらない。どの部分列も同じ不連続関数へ向かうので、一様収束する部分列は存在しない。
崖の様子は数値でも見える。 を代入する。
での値は である。 点の距離は で に向かうのに、値の差は ほど残る。
同程度連続
関数の族 が点 で同程度連続とは、次が成り立つことをいう[3]。
肝は が によらないところにある。 本の で族の全員をおさえる。
が にもよらないなら一様同程度連続という。定義域がコンパクトなら、この つは一致する。

の族はこの条件を落とす。 とすると、どんな をとっても、 を大きくすれば で差が を超える組が現れる。
定理
をコンパクト空間、 とする。次の つは同値である[2]。
数列の形で書くと使いやすい。 上の連続関数列 が一様有界かつ同程度連続なら、一様収束する部分列 がとれる[1]。
一般の形では、値域を距離空間 にとり、各点での像の集合 が相対コンパクトであることを要求する[3]。 なら有界性と同じになる。
証明は対角線論法
証明の骨格は、可算個の点で順に部分列を絞り、最後に対角線をとる形である[2]。
稠密な可算集合を並べる
第 1 点で収束する部分列をとる
その中から第 2 点でも収束する部分列をとる
対角線を拾って全点で収束させる
各点収束から一様収束へ上げるところで同程度連続性を使う。 が関数によらないので、有限個の点での近さが全体の近さに広がる。
例:リプシッツ定数がそろえばよい
族の全員が同じ定数 でリプシッツ連続なら、同程度連続はすぐ出る。
とすれば条件をみたす。 の中に が現れないので、族の全員に同時に効く。
なら である。有界性も から出るので、定理が使える。
例:導関数が一様有界なら使える
がすべての と で成り立つとする。平均値の定理から になる。
を見る。導関数は なので 。同程度連続である。
値のほうは なので、この列は へ一様収束する。部分列を探すまでもない。
比べるべきは のほうである。導関数が で、 がとれない。
と をとると、距離は に向かうのに値の差は のまま。同程度連続でないので、定理は使えない。
を 1 本決めれば全員に効く。部分列が収束する
ごとに を細くする必要がある。部分列も収束しない
例:積分作用素はなめらかにする
を 上の連続関数とし、次の作用素を考える。
とすると なので、像は一様有界である。
同程度連続も出る。 点での差を評価する。
はコンパクト集合上の連続関数なので一様連続。 を小さくすれば右辺は小さくなり、 にはよらない。
アスコリ・アルツェラから、単位球の像は相対コンパクトになる。 がコンパクト作用素だという主張が、これで示せた[1]。

例:核を決めて計算する
とすると、積分は変数分離できる。
なら なので になる。
なら で 。どの を入れても の定数倍しか出てこない。
像は 次元である。 なので、リプシッツ定数 で同程度連続。
例:微分方程式の解を作る
を連続とし、、 を考える。連続性だけで局所解が存在する[4]。
近似解を作り、それが一様有界で同程度連続だと示す。アスコリ・アルツェラで収束する部分列をとり、極限が解になることを確かめる筋である。
出てくるのは存在だけで、一意性は出ない。、 には と の両方がある[4]。
はリプシッツ連続でないので、一意性を保証する条件を落としている。連続性だけでは解が枝分かれする。
仮定はどちらも外せない
つの仮定は独立である。片方だけでは結論が出ない。
| 関数列 | 一様有界 | 同程度連続 |
|---|---|---|
| 成り立つ | 成り立たない | |
| 成り立たない | 成り立つ | |
| 成り立つ | 成り立たない | |
| 成り立つ | 成り立つ |
はどれも傾き の直線なので、 で同程度連続になる。ただし値が上へ逃げるので、収束する部分列はない。
に を代入した値は、 を大きくするとどこへ近づくか。
検算のしかた
同程度連続かどうかは、 に が入るかどうかで見分けられる。
のように定数だけで書ければ合格である。 のように が残れば落第。
導関数の上限を計算すると早い。 が有限なら、その値がリプシッツ定数になる。
よくある誤り
を 本で足りるようにする。この一点だけが、数列の話を関数列へ持ち上げる鍵になっている。









(1−n1)n は e−1 へ収束する。x=1 での値 1 との差が 0.632 ほど残るので、この族は同程度連続にならない。0 は各点極限の値、1 は右端での値である。