「単調で有界なら収束する」単調収束定理と実数の連続性
は 、、、 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 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 と 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。
の解は候補にすぎない。収束するかは分からない
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。 は と 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。
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
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
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。













有界なだけでは (−1)n が反例になり、単調なだけでは n が反例になる。両方そろってはじめて収束が決まる。