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English

「単調で有界なら収束する」単調収束定理と実数の連続性

と増え続ける。同時に、どの項も を超えない。

この 2 つを言えた時点で、極限が存在すると決まる。値が何であるかは、まだ分からなくてよい[1]

存在を先に確保し、値をあとから追いかける。単調収束定理はその順序を許す。

定理

上に有界で単調増加な数列は収束する[1][2]。下に有界で単調減少なら、やはり収束する。

言いかえると、単調な実数列は有界であるとき、そのときに限って収束する[3]

極限は上限、つまり項の集合の最小の上界である[1]

上界と上限

数列のすべての項が 以下なら、 を上界という。上界は 1 つ決まれば、それより大きい数もすべて上界になる。

上界の中でいちばん小さいものを上限と呼ぶ。 では も上界だが、上限は である。

証明の筋

と置く。幅 を決めると、 は上界ではない[1]

上界の中で最小のものが だからである。よって となる番号 が存在する。

単調増加なので では 。上界だから でもある。

これは を意味する。定義どおり が示せた[1]

どこで実数が要るのか

証明で使ったのは、上限が存在するという事実だけである。これは実数の性質として認めるところから始まる。

空でなく上に有界な実数の集合は、必ず上限を持つ[4]。この主張が実数の連続性と呼ばれるもので、公理として置かれる[4]

デデキントの切断で言えば、どの切断も必ず 1 つの数で実現される[4]。数直線に穴がない、という言い方になる。

単調収束定理は、実数に穴がないことを数列の言葉に言いかえたものである。

証明の中身は上限の存在だけ。そこを認めれば、あとは定義の言いかえで終わる。

有理数の中では成り立たない

有理数だけの世界では、この定理は破れる[4]。単調で有界なのに、行き先が世界の外にある数列を作れるからである。

を考える。各項は有理数で、 と減り続ける。

下に有界でもある。どの項も より大きい。それでも極限 は有理数ではない。

小数を打ち切った という数列でも同じことが起きる。増え続けて を超えないのに、行き先が有理数の外にある。

有理数の世界には、上に有界な集合で上限を持たないものがある。 がその例である。

実数を作るのは、この穴を埋める作業だった。単調収束定理が使えるのは、埋めたあとの世界でだけである。

例:級数の収束に使う

は増え続ける。 から が言える[1]

上に有界で単調増加なので収束する。極限は だが、その値を知らなくても収束は決まっている。

も同じ形である。 から部分和が 未満と分かり、収束する。

例:漸化式の収束に使う

では、帰納法で を示す。

上に有界で単調増加なので収束が確定する。そこではじめて を解いてよい。

この順序を逆にすると、収束しない数列に極限値を与えてしまう。存在を先に押さえるのが型である。

方程式を解くだけ

の解は候補にすぎない。収束するかは分からない

単調と有界を示す

収束が確定してから候補を当てる。値が 1 つに決まる

単調でないと言えない

有界なだけでは収束しない。 に収まっているが、行き先を持たない。

単調性が効いているのは、後戻りを禁じている点である。天井に近づいたら、そこから離れられない。

有界な数列については、収束する部分列が必ずとれるという定理がある。全体の収束までは言えないが、一部を抜き出せば収束させられる。

区間を縮めていく形

同じ内容が区間の言葉でも書ける。閉区間が入れ子になり、幅が に向かうなら、共通部分はちょうど 1 点になる。

二分法や、 を多角形で挟む議論はこの形をしている。左端は増える有界数列、右端は減る有界数列である。

上に有界で単調増加なら収束する。極限は上限になる。
下に有界で単調減少でも同じ。極限は下限になる。
有界なだけでは収束しない。単調性が要る。
有理数の中では成り立たない。実数の連続性が前提になる。

4 つのうち上の 2 つが定理、下の 2 つが前提の確認になる。

数列 について、収束を保証するのはどれか。

  • 有界である
  • 単調増加で上に有界である
  • 単調増加である
__RESULT__

有界なだけでは が反例になり、単調なだけでは が反例になる。両方そろってはじめて収束が決まる。

前提のほうも確かめる。

の各項は有理数である。この数列について正しいのはどれか。

  • 有理数の範囲で単調増加かつ有界で、極限も有理数になる
  • 有界だが極限は無理数になる
  • 発散する
__RESULT__

から である。 と増えて を超えない。極限も有理数なので、この例では有理数の中で完結する。有理数で破れるのは、行き先が無理数になる場合だけである。

単調で有界なら収束する。この一文は、実数直線に穴がないという主張と同じ内容を述べている。数列の言葉で書いてあるだけである。

出典

*Grenzwerte von Folgen und Funktionen*. Mathematik für Informatiker II, Freie Universität Berlin.
*Sequences*. Calculus Volume 2, OpenStax.
*Folgen und Grenzwerte*. Analysis-Skript, ETH Zürich.
Real number. Encyclopedia of Mathematics.
$\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n}$ は増え続け、どの項も $3$ を超えません。この 2 つを言えた時点で収束が決まる。値を知らないまま存在だけを先に確保できます。証明で使うのは上限の存在だけで、それは実数の連続性そのもの。空でなく上に有界な集合が上限を持つ、という公理です。有理数の中では破れます。$\frac{1}{2}\left(a_n+\frac{2}{a_n}\right)$ は有理数のまま減り続けるのに、行き先の $\sqrt{2}$ が世界の外にある。区間縮小法との関係まで並べました。