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| - | = 極限と微分 =
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| - | ==集合==
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| - | 集合論の初歩の知識は前提にして記述するので、<br/>
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| - | なじみのない方は、下記を参考に、<br/>
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| - | 集合の素朴な定義、集合の表記法、集合の和集合や共通集合、集合の包含関係<br/>
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| - | などについて学習してほしい。
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| - | *[[wikipedia_ja:集合 |ウィキペディア(集合）]]
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| - | == 実数の連続性と極限 ==
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| - | 実数の連続性は、色々な極限の存在の根拠を与えるもので、<br/>
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| - | 実数の持つ最も重要な性質の一つである。
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| - | ===上界、下界と有界集合===
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| - | ${\bf R}$を、全ての実数を要素とする集合とし、<br/>
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| - | $A$をその部分集合とする。<br/>
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| - | 実数$u$が$A$の'''上界'''(upper bound)とは、<br/>
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| - | 任意の$a \in A$に対して、$a \leq u$がなりたつこと。<br/>
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| - | 実数$l$が$A$の'''下界'''(lower bound)とは、<br/>
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| - | 任意の$a \in A$に対して、$l \leq a$がなりたつこと。<br/>
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| - | $U_A$を$A$の上界をすべて集めた集合、<br/>
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| - | $L_A$を$A$の上界をすべて集めた集合とする。<br/>
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| - | $U_A$が空集合$\emptyset$でない（すなわち、$A$の上界が少なくとも一つ存在する）とき、<br/>
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| - | $A$は'''上に有界'''であるといい、<br/>
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| - | $L_A\neq \emptyset$の時、$A$は'''下に有界'''であるという。<br/>
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| - | 上に有界で、下にも有界な集合($\subset {\bf R})$は、'''有界'''という。
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| - | ===実数の連続の公理と上限、下限===
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| - | $A \subset {\bf R}$とする。<br/>
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| - | 実数の連続性の公理<br/>
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| - | もし、$U_A \neq \emptyset$ならば、$U_A$は、最小元を持つ。<br/>
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| - | もし、$L_A \neq \emptyset$ならば、$L_A$は、最大元を持つ。<br/><br/>
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| - | 上限と下限の定義<br/>
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| - | $U_A$の最小元を$A$の'''上限(supremum)'''あるいは'''最小上界(least upper bound)'''という。<br/>
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| - | また、$L_A$の最大元を$A$の'''下限(infimum)'''あるいは'''最大下界(greatest lower bound)'''という。<br/><br/>
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| - |
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| - | 命題１<br/>
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| - | $u$が$A(\subset {\bf R})$ の上限となるための必要十分条件は、<br/>
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| - | ⅰ）$u$は$A$の上界。すなわち任意の$a\in A$にたいして$a \leq u$ <br/>
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| - | ⅱ）$x<u$である任意の$x$は$A$の上界ではない。すなわち、$x<a$となる$a\in A$が存在。<br/>
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| - | ⅲ）$A$が最大値を持つ場合には、上限は最大値と一致する。<br/>
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| - | 同様に、$l$が$A$ の下限となるための必要十分条件は、<br/>
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| - | ⅰ）$l$は$A$の下界。すなわち任意の$a\in A$にたいして$l\leq a$ <br/>
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| - | ⅱ）$l<x$である任意の$x$は$A$の下界ではない。すなわち、$a<x$となる$a\in A$が存在。<br/>
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| - | ⅲ）$A$が最小値を持つ場合には、下限は最小値と一致する。<br/><br/>
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| - | $A$ の上限を$\sup A$、下限を$\inf A$と書く。<br/><br/>
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| - | 証明は、上限、下限の定義から、明らかなので省略する。<br/>
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| - | 例；$A=(0,1)$のとき、$\sup A=1$,$\inf A=0$。<br/>
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| - | これらは、ともに$A$の要素でないので、<br/>
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| - | 上限１は$A$の最大元(最大値)ではなく、下限０は$A$の最小元(最小値)ではない。<br/>
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| - | $A=[0,1]$のとき、$\sup A=1$,$\inf A=0$。<br/>
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| - | これらは、ともに$A$の要素なので、<br/>
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| - | 上限は最大限であり、下限は最小限となる。<br/>
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| - | 命題２<br/>
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| - | $A \subset B \subset {\bf R}$で、$B$は有界集合とする。<br/>
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| - | このとき、$\inf B \leq \inf A \leq \sup A \leq \sup B$<br/>
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| - | 証明は容易である。<br/><br/>
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| - | 命題３<br/>
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| - | $A \subset {\bf R}$で、$A$は有界集合とする。<br/>
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| - | $s:=\inf A,\quad S:=\sup A,\quad d(A):=\sup_{x,y\in A}(x-y)$とおくと、<br/>
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| - | $S-s=d(A)$<br/>
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| - | 証明<br/>
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| - | １）$d(A)\leq S-s$を示す。<br/>
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| - | 下限と上限の定義から、任意の$a,b\in A$に対して、$s \leq a,b \leq S$<br/>
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| - | これより、$|a-b| \leq S-s$。故に$d(A)=\sup_{a,b\in A}(a-b)\leq S-s$<br/>
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| - | ２）$S-s\leq d(A)$を示す。<br/>
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| - | $d(A)<S-s $だと仮定する。<br/>
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| - | この仮定から矛盾が生じれば、誤謬法により、２）が成立することが分かる。<br/>
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| - | 仮定により、ある十分に小さい正数$\epsilon$を取れば、<br/>
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| - | $d(A)<S-s-\epsilon=(S-\frac{1}{2}\epsilon)-(s+\frac{1}{2}\epsilon)\qquad (1) $<br/>
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| - | が成り立つ。<br/>
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| - | $S-\frac{1}{2}\epsilon$はＡの最小上界$S$より小さいのでＡの上界ではない。<br/>
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| - | そのため、ある$a_{0}\in A$が存在して<br/>
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| - | $S-\frac{1}{2}\epsilon < a_{0} \qquad \qquad (2)$<br/>
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| - | $s+\frac{1}{2}\epsilon$は、同様に、Ａの下界ではないので、ある$b_{0}\in A$が存在して<br/>
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| - | $b_{0}<s+\frac{1}{2}\epsilon \qquad \qquad (3)$<br/>
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| - | 式(1),(2),(3)から、<br/>
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| - | $d(A)<a_{0}-b_{0}$<br/>
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| - | これは、$d(A)=\sup_{a,b\in A}(a-b)$と矛盾する。<br/>
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| - | 証明終わり。<br/><br/>
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| - | ===実数列の収束と極限、極限の性質 ===
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| - | 順番に並んだ実数の列<br/>
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| - | $a_1,a_2,,,a_n,,,,,$<br/>
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| - | を実数列といい、<br/>
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| - | 実数列$\{a_n\}_{n=1}^{\infty},\{a_n\}_{n\in {\bf N}}, \{a_n\}$<br/>
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| - | などとも書く。ここで${\bf N}$は、すべての自然数を要素とする集合である。<br/>
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| - | *[[wikipedia_ja:極限 |ウィキペディア(極限)]]
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| - | ==== 有界な単調数列は収束する====
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| - | 定義；単調数列<br/>
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| - | 実数列$\{a_n\}$が単調増加とは$a_i\leq a_{i+1},(i=1,2,3,,,,)$がなりたつこと。<br/>
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| - | 実数列$\{a_n\}$が単調減少とは$a_i\geq a_{i+1},(i=1,2,3,,,,)$がなりたつこと。<br/>
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| - | 実数列$\{a_n\}$が単調とは、単調増加か単調減少のこと。<br/>
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| - | '''実数列の単調収束定理'''<br/>
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| - | １）上に有界な単調増加の実数列$\{a_n\}$は収束し、<br/>
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| - | その極限は$\sup_{n\in {\bf N}}a_n$に等しい。<br/>
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| - | ２）下に有界な単調減少の数列$\{a_n\}$は収束し、<br/>
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| - | その極限は$\inf_{n\in {\bf N}}a_n$に等しい。<br/>
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| - | 証明；<br/>
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| - | 1)。上に有界な数列は、実数の連続の公理から、<br/>
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| - | 上限$s=\sup_{n\in {\bf N}}a_n$を持つ。<br/>
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| - | 上限の定義から、どんなに小さい正数$\epsilon$を選んでも、<br/>
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| - | $s-\epsilon < a_{n_{0}}\leq s$をみたす数列の要素$a_{n_{0}}$が存在する。<br/>
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| - | 数列は単調増加なので、$n\geq n_{0}$ならば$a_{n_{0}}\leq a_n \leq s$.<br/>
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| - | ゆえに、任意の正数$\epsilon$にたいして、ある番号$n_0$が存在して、<br/>
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| - | 任意の$ n\geq n_{0}$にたいして、<br/>
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| - | $s-\epsilon < a_{n_{0}}\leq a_n \leq s$<br/>
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| - | が言えた。ゆえに、この数列はｓに収束する。<br/>
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| - | 2)の証明も同様に行えるので省略。
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| - | ==== コーシー数列は収束する====
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| - | コーシー数列の定義<br/>
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| - | 実数列$\{a_n\}$が'''コーシー列とは、<br/>
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| - | どんなに小さい正数$\epsilon$を選んでも、<br/>
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| - | ある番号$n_0$が存在して、<br/>
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| - | $m,n \geq n_{0}$ならば、$|a_m-a_n|<\epsilon$<br/>
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| - | となること。<br/>
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| - | 定理（コーシー）<br/>
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| - | 実数列$\{a_n\}$に対して<br/>
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| - | 収束する $\Leftrightarrow$ コーシー列である。<br/>
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| - | 証明；<br/>
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| - | （＝＞）実数列$\{a_n\}$が極限$s$に収束すると仮定する。
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| - | どんなに小さい正数$\epsilon$を選んでも、<br/>
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| - | ある番号$n_0$が存在して、<br/>
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| - | $n \geq n_{0}$ならば$|a_n-s|<\frac{\epsilon}{2}$<br/>
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| - | そこで、$m,n \geq n_{0}$ならば、$|a_m-a_n|\leq |a_m-s|+|s-a_n|<\epsilon$<br/>
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| - | ゆえに、コーシー列である。<br/>
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| - | （＜＝）実数列$\{a_n\}$がコーシー列とする。<br/>
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| - | （１）数列は有界<br/>
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| - | 何故なら、正数１に対して、ある番号$n_0$が存在して、<br/>
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| - | $m,n \geq n_{0}$ならば、$|a_m-a_n|<1$<br/>
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| - | これより、$m \geq n_{0}$ならば、$|a_m-a_{n_{0}}|<1$<br/>
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| - | これより、$a_{n_{0}}-1<a_m<a_{n_{0}}+1$<br/>
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| - | すると数列の全ての要素は<br/>
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| - | $M:=\max{a_1,a_2,,,a_{n_{0}-1},a_{n_{0}}+1}$<br/>
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| - | 以下となり上に有界である。<br/>
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| - | 下に有界であることも、同様にして分かる。<br/>
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| - | （２）任意の自然数$n$に対して、$s_n:=\inf_{k\geq n}a_k$は存在し、<br/>
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| - | 数列$\{s_n\}$は極限$s=\lim_{n\to \infty}s_n$に収束する。<br/>
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| - | 理由；数列$\{ a_{n+k}\}_k$は有界なので、<br/>
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| - | 実数の連続性の公理から、その下限$s_n:=\inf\{a_k\mid k\geq n\}$は存在する。<br/>
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| - | 「実数の連続の公理と上限」の項の命題２から、数列$\{s_n\}$は、単調増加である。<br/>
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| - | 単調収束定理からこの数列は極限$s=\lim_{n\to \infty}s_n$に収束する。
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| - | （３）任意の自然数$n$に対して、$S_n:=\sup\{a_k\mid k\geq n\} $は存在し、<br/>
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| - | 数列$\{S_n\}$は単調減少で極限$S=\lim_{n\to \infty}S_n$に収束する。<br/>
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| - | この命題は（２）と全く同じ考えで出来るので省略する。<br/>
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| - | （４）$s \leq S$である。<br/>
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| - | 理由；任意の自然数ｎに対して<br/>
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| - | $s_n:=\inf_{k\geq n}a_k$なので、$s_n\leq a_{n+k},(k=0,1,2,,,,)$<br/>
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| - | $S_n:=\sup_{k\geq n}a_k$なので$a_{n+k} \leq S_n,(k=0,1,2,,,,)$<br/>
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| - | 故に$s_n\leq S_n,(n=1,2,,,,)$<br/>
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| - | $s_n \leq s_{n+k} \leq S_{n+k},(k=0,1,2,,,,)$<br/>
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| - | ｋについて極限をとると、$s_n \leq S,(n=1,2,3,,,,)$<br/>
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| - | ｎについて極限をとると、$s \leq S$<br/>
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| - | （５）$S=s==\lim_{n\to \infty}a_n$<br/>
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| - | 数列$\{a_n\}$がコーシー列なので、<br/>
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| - | 任意の正数$\epsilon$をとると、自然数$n_{0}$が存在して<br/>
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| - | 全ての$m,n \geq n_{0}$にたいして$|a_m-a_n|<\epsilon$<br/>
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| - | これより、$sup_{m,n\geq n_0}(a_n-b_m)\leq \epsilon$<br/>
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| - | 一方,「実数の連続の公理と上限、下限」の命題３から、<br/>
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| - | $S_{n_0}-s_{n_0}=sup_{m,n\geq n_0}(a_n-b_m)$<br/>
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| - | 故に、$S_{n_0}-s_{n_0}\leq \epsilon$<br/>
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| - | 数列$\{S_n\}$は単調減少、数列$\{s_n\}$は、単調増加なので<br/>
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| - | $S-s=\lim_{n\to \infty}(S_n-s_n)\leq S_{n_0}-s_{n_0}\leq \epsilon$ <br/>
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| - | 故に$S-s=0$ <br/>
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| - | また$s_{n}\leq a_n \leq S_{n},(n=1,2,3,,,,)$なので、<br/>
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| - | $ \lim_{n\to \infty}a_n=s=S$が示せた。<br/>
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| - | == 関数の連続性 ==
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| - | 関数の連続性の定義；<br/>
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| - | 実数値関数 $f(x)$ がある点''' $x_0$で連続'''であるとは、<br/>
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| - | $x$が$x_0$ に限りなく近づくならば、$f(x)$ が $f(x_0)$ に限りなく近づく<br/>
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| - | ことを言う。<br/>
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| - | $\lim_{x\to x_0} f(x) = f(x_0)$と記す。<br/>
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| - | これはイプシロン-デルタ論法(ε-δ論法)を用いれば次のように定式化できる。<br/>
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| - | （小さな）正の数 ε が任意に与えられたとき、<br/>
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| - | （小さな）正の数 δ を適切にえらべば、<br/>
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| - | $x_0$ と δ 以内の距離にあるどんな $x$ に対しても、<br/>
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| - | $f(x_0)$ と $f(x)$ の差が ε より小さいようにすることができる。<br/>
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| - | 記号でかくと$|x-x_0|<\delta \implies |f(x)-f(x_0)|<\epsilon$<br/>
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| - | 関数 $f(x)$ がある'''区間$I$ で連続'''であるとは、<br/>
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| - | $I$ に属するそれぞれの点において連続であることを言う。<br/>
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| - | ===連続関数の性質 ===
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| - | 命題１．有界閉区間$I=[a,b]$で定義された実数値の連続関数$f$は有界である。<br/>
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| - | 但し、$f$が有界とは$\{f(x)\mid x\in I$が有界集合のこと。<br/>
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| - | 証明；<br/>
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| - | 上に有界でないと仮定して矛盾が生じることを示せば良い。<br/>
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| - | 下に有界でない場合も全く同じように証明できるので、こう仮定しても一般性を失わない。<br/>
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| - | １）以下の手順で関数が上に非有界となる縮小閉区間列を作る。<br/>
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| - | 閉区間$I$を2等分し、2つの閉区間$[a,\frac{a+b}{2}],[\frac{a+b}{2},b]$に分ける。<br/>
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| - | すると$f$は、少なくともどちらかの閉区間上で上に非有界である。<br/>
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| - | 非有界になる方の閉区間$I_1=[a_1,b_1]$と表現する。<br/>
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| - | この区間の長さは$d(I_1)=b_1-a_1=\frac{b-a}{2}$であり、$I_1 \subset I$<br/>
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| - | 次に、閉区間$I_1$を2等分して2つの閉区間に分ける。<br/>
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| - | $f$は$I_1$上で非有界なので、分割してできた2つの閉区間のどちらかで非有界。<br/>
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| - | 非有界とな方の区間を$I_2=[a_2,b_2]$と表現する。<br/>
| |
| - | $d(I_2)=b_2-a_2=\frac{b-a}{2^2}$,$I_2 \subset I_1 $である。<br/>
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| - | この操作を続けていくと、減少する閉区間列$I_n=[a_n,b_n],(n=1,2,3,,,,)$が得られる。<br/>
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| - | 各閉区間$I_n$上で$f$は上に非有界で、$d(I_n)=\frac{b-a}{2^n}$,<br/>
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| - | $I\supset I_1\supset I_2\supset I_3 \supset ,,,\supset I_{i-1} \supset I_i \supset ,,,,$<br/>
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| - |
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| - | ２）次に各区間$I_n,(n=1,2,,,)$の中の数$x$で、関数値$f(x)$がn以上になるものを
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| - | 集めた集合<br/>
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| - | $A_n:=\{x\in I_n \mid f(x)\geq n\}$を考える。<br/>
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| - | 各$A_n$は、要素を無限に持つ。<br/>
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| - | 何故なら、有限集合$A_n=\{x_1,x_2, x_k\}$であると
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| - | $f$は$I_n$上で$M:=\max_{i=1}^{k}f(x_i)$により上からおさえられることになる。<br/>
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| - | ３）関数値が無限におおきくなるコーシー列の作成<br/>
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| - | これらの無限集合$A_n,(n=1,2,,,)$から、其々一つの数$\xi_n\in A_n$を選び、<br/>
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| - | 数列$\{\xi_n\}_{n}$を作る。<br/>
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| - | この数列はコーシー列であることは容易に分かるので、その極限<br/>
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| - | $x_0:=\lim_{n\to \infty}\xi_n$が存在する。<br/>
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| - | ４）この点$x_0$は閉区間$I=[a,b]$に含まれる。<br/>
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| - | なぜなら、もし$x_0\notin [a,b]$とすると、$x_0>b$ か $x_0<a$である。<br/>
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| - | 前者のとき、$\epsilon:=\frac{x_0-b}{2}$とえらぶと、<br/>
| |
| - | $x_0:=\lim_{n\to \infty}\xi_n$なので、<br/>
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| - | ある番号から先はすべて$|x_0-\xi_n|<\epsilon$,これより$\xi_n >b$<br/>
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| - | となり$\xi_n\in I_n \subset I$に矛盾してしまう。<br/>
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| - | 後者の場合も、同様に、矛盾が生じる。<br/>
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| - | ５）結論<br/>
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| - | $x_0=\lim_{n\to \infty}\xi_n\in I$で、$f$はＩ上で連続なので、<br/>
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| - | $f(x_0)=\lim_{n\to \infty}f(\xi_n)$<br/>
| |
| - | ところが、$f(\xi_n)\geq n,(N=1,2,3,,,,)$なので、<br/>
| |
| - | $\lim_{n\to \infty}f(\xi_n)\geq \lim_{n\to infty}n=\infty$ となり、<br/>
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| - | $f(x_0)$が実数であることと矛盾する。<br/>
| |
| - | 証明終わり。<br/><br/>
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| - |
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| - | 命題２<br/>
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| - | $f$は、有界閉区間$I=[a,b]$で定義された実数値の連続関数とする。<br/>
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| - | すると、$f$は、Ｉ上で最大値と最小値を持つ。<br/>
| |
| - | 証明；<br/>
| |
| - | １）命題１から$f$は有界関数なので、${\bf R(f)}:=\{f(x) \mid x\in I\}$は実数からなる有界集合。<br/>
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| - | 実数の連続性の公理から、${\bf R(f)}$の下限と上限$m:=\inf {\bf R(f)},M:=\sup{\bf R(f)}$が存在。<br/>
| |
| - | ２）Ｍは$f$のＩ上の最大値、<br/>
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| - | 言い換えると、任意の$x\in I$に対して$f(x)\leq M$で、$f(\xi)=M$となる、$\xi\in I$が存在することを示す。<br/>
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| - | $f(x)\leq M$は、Ｍが${\bf R(f)}$の上界なので明らかに成り立つ。<br/>
| |
| - | 後者を示そう。<br/>
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| - | 任意の自然数ｎにたいして$M-\frac{1}{n}$は${\bf R(f)}$の上界でなくなるので、<br/>$M-\frac{1}{n}<f(x_n)$を満たす$x_n\in I$が存在する。<br/>
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| - | これらの数の作る数列$\{x_n\}_{n=1}^{\infty}$から<br/>
| |
| - | 収束する部分列を以下のようにして作る。<br/>
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| - | ⅰ）閉区間Ｉを2等分し部分列の最初の項をきめる。<br/>
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| - | どちらかの区間には数列$\{x_n\}_{n=1}^{\infty}$の要素が無限に沢山含まれる。<br/>
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| - | それを$I_1=[a_1,b_1]$と表現する。<br/>
| |
| - | 数列$\{x_n\}_{n=1}^{\infty}$の中で<br/>
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| - | $I_1$に含まれる、最も番号の小さいもの$x_n(1)$を取り出す。$n(1)\geq 1$である。<br/>
| |
| - | ⅱ）この手順を繰り返し部分列を作る。<br/>
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| - | 次に$I_1$を2等分する。このどちらかの区間に数列$\{x_n\}_{n=1}^{\infty}$の要素が無限に沢山含まれる。<br/>
| |
| - | そこで、数列要素を無限に多く含む方の区間を選び、$I_2=[a_2,b_2]$と表現する。<br/>$I_2$に含まれる数列$\{x_n\}_{n=1}^{\infty}$の要素のなかで、$n(1)$より大きい番号の中で最小のもの$x_n(2)$を取り出す。<br/>
| |
| - | これを無限に続けていくと、
| |
| - | 数列の部分列$\{x_{n(i)}\}_{i=1}^{\infty}$が得られる。<br/>
| |
| - | ここで、作り方から、$d(I_i)=\frac{b-a}{2^i}$、$x_{n(i)}\in I_i,(i=1,2,3,,,,,)$で<br/>
| |
| - | $n(i)\geq i$,$n(1)<n(2)<n(3)<,,,,,$である。<br/>
| |
| - | ⅲ）$\{x_{n(i)}\}_{i=1}^{\infty}$は収束し、$\xi:=\lim_{i\to \infty}x_{n(i)}\in I$<br/>
| |
| - | を示す。<br/>
| |
| - | $x_{n(i+k)}\in I_{i+k}\subset I_i,(k=0,1,2,,,)$なので,<br/>
| |
| - | $x_{n(i+k)}\in I_i,(k=0,1,2,,,,)$<br/>
| |
| - | これより、$|x_{n(i+k)}-x_{n(i+l)}|\leq d(I_i)=2^{-i}$<br/>
| |
| - | ゆえに部分列$\{x_{n(i)}\}_{i=1}^{\infty}$はコーシー列である。<br/>
| |
| - | コーシーの収束定理から、極限$\xi:=\lim_{i\to \infty}x_{n(i)}\in I$が存在する。<br/>
| |
| - | $\xi\in I$であることは、命題１の証明４）で示した。<br/>
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| - | ⅳ）結論<br/>
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| - | 関数$f$は連続なので、$f(\xi)=\lim_{i\to \infty}f(x_{n(i)})$<br/>
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| - | $M-\frac{1}{n}<f(x_n),(n=1,2,3,,,)$を満たすので、<br/>
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| - | $M-\frac{1}{n(i)}<f(x_{n(i)})$。<br/>
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| - | ｉについて両辺の極限を取ると、$M\leq f(\xi)$<br/>
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| - | 他方で、Ｍは${\bf R(f)}$の上界なので、$f(\xi)\leq M$。<br/>
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| - | 故に、$M=f(\xi)$となり、Ｍは関数$f$の最大値である。<br/>
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| - | $m$が$f$の最小値であることも、同じようにして証明できる。<br/>
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| - | 命題２の証明終わり。
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| - |
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| - | == 実数値関数とベクトル値関数の微分 ==
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| - | このテキストを理解するための必要最小限のことを記述する。<br/>
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| - | 以下の文献も必要に応じて参考にしてください。<br/>
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| - | 一冊では不十分な内容なので色々あげてある。
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| - | *[[wikibooks_ja:高等学校数学II 微分・積分の考え|ウィキブックス（高等学校数学II 微分・積分の考え）]]
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| - | *[[wikibooks_ja:高等学校数学III 微分法|ウィキブックス（高等学校数学III 微分法）]]
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| - | *[[wikibooks_ja:物理数学I 解析学|ウィキブックス（物理数学I 解析学）]]
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| - | *[[wikibooks_ja:物理数学I ベクトル解析|ウィキブックス（物理数学I ベクトル解析）]]
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| - | === 実数値関数の微分 ===
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| - | 実数の開区間$I=(a,b)$上で定義された実数値関数$y=f(x)$を考える。<br/>
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| - | 定義;微分可能性<br/>
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| - | 関数$f$が$s\in I$で微分可能であるとは、極限<br/>
| |
| - | $\lim_{h \to 0,h\neq 0}\frac{f(s+h)-f(s)}{h}=c \qquad \qquad (1)$<br/>
| |
| - | が存在することである。<br/>
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| - | この時$c$を$f$の$s$における微分係数あるいは導値といい、<br/>
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| - | $f'(s)、\frac{df}{dt}(s)、(Df)(s)$<br/>
| |
| - | などと書く。<br/>
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| - | $I=(a,b)$の各点で$f$が微分可能であるとき、$f$は'''微分可能関数'''(あるいは
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| - | 微分可能）という。<br/>
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| - | この時、任意の$s\in I$に対して、$f'(s)$が定まるので、<br/>
| |
| - | 関数$f'$が定まる。これを$f$の${\bf 導関数}$(derivative)という。<br/>
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| - |
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| - | ==== 微分係数の意味 ====
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| - | (1)$\frac{f(s+h)-f(s)}{h}$は、区間$[s,s+h]$における関数値の平均変化率である。<br/>
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| - | その極限である微分係数$f'(s)$は、関数値の$s$における瞬間的な変化率と考えられる。<br/>
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| - | (2)2次元空間(平面のこと)に直交座標座標系$O-xy$をいれ、<br/>
| |
| - | 関数$y=f(x)$のグラフ$G=\{(x,y)\mid x\in I,y=f(x)\}$を書く。<br/>
| |
| - | すると、<br/>
| |
| - | $f'(s)$が存在することは、$x=s$においてグラフ$G$が接線をもつことと同等であり、<br/>
| |
| - | 接線の方程式は<br/>
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| - | $y=f'(s)(x-s)+f(s)$である。<br/>
| |
| - | これは、[[wikipedia_ja:接線 |接線]]の定義からただちに分かる。<br/>
| |
| - | (3）$h$を零に近づけていったときの極限の意味をさらに深めるため<br/>
| |
| - | 微分可能の定義を、それと同等の別の表現に変換しよう。<br/>
| |
| - | (1)式の右辺の定数を左辺に移行すると<br/>
| |
| - | $\lim_{h \to 0,h\neq 0}\frac{f(s+h)-f(s)-ch}{h}=0$<br/>
| |
| - | 次に、<br/>
| |
| - | $o_{s}(h):=\frac{f(s+h)-f(s)-ch}{h}\qquad \qquad (2)$<br/>
| |
| - | という、変数ｈの関数を定義する。<br/>
| |
| - | すると関数$f$が$s\in I$で微分可能で、微分係数が$c$である必要十分条件は<br/>
| |
| - | $\lim_{h \to 0,h\neq 0}o_{s}(h)=0$<br/>
| |
| - | である。<br/>
| |
| - | (2)式を変形すると<br/>
| |
| - | $f(s+h)=f(s)+ch+o_{s}(h)h$<br/>
| |
| - | ゆえに次の命題が証明できた。<br/>
| |
| - | 命題；<br/>
| |
| - | 次の３つの条件は同等である。<br/>
| |
| - | １）関数$f$は$s\in I$で微分可能で、微分係数は$c$である<br/>
| |
| - | ２）関数$f$は、<br/>
| |
| - | $f(s+h)=f(s)+ch+o_{s}(h)h \qquad \qquad (3)$<br/>
| |
| - | と表現できる。<br/>
| |
| - | ここで、$o_{s}(h)$は<br/>
| |
| - | $\lim_{h \to 0,h\neq 0}o_{s}(h)=0 \qquad \qquad (4)$<br/>
| |
| - | を満たす関数<br/><br/>
| |
| - | 3) 関数$f$は、<br/>
| |
| - | $s$の近傍の点$x$で
| |
| - | $f(x)=f(s)+c(x-s)+\left(o_{s}(x-s)\right)(x-s) \qquad \qquad (3)$<br/>
| |
| - | ここで、$o_{s}(x-s)$は<br/>
| |
| - | $\lim_{x \to s,x\neq s}o_{s}(x-s)=0 \qquad \qquad (4)$<br/>
| |
| - | を満たす関数<br/><br/>
| |
| - |
| |
| - | この定理の3）により、<br/>
| |
| - | 「関数が$s$で微分可能であり、微分係数がｃであること」は、<br/>
| |
| - | 「この関数が$s$の近傍の点$x$で直線$y=f(s)+c(x-s)$で近似でき、<br/>
| |
| - | 誤差$|f(x)-(f(s)+c(x-s))|=|\left(o_{s}(x-s)\right)(x-s)| $が,<br/>
| |
| - | $x$を$s$に近づけていくとき、$h=x-s$より高次で０に収束する(注参照)<br/>
| |
| - | ことと同等であることが分かる。<br/>
| |
| - | (注)$\lim_{h\to 0,h\neq 0}\frac{o_{s}(h)h}{h}=0$
| |
| - | 命題の系；関数が$s$で微分可能であれば、$s$で連続である。<br/>
| |
| - | 証明；命題の２）を用いると、<br/>
| |
| - | $f(s+h)=f(s)+ch+o_{s}(h)h $<br/>
| |
| - | この式から、$|f(s+h)-f(s)|=|(c+o_{s}(h))h|$<br/>
| |
| - | $\lim_{h \to 0,h\neq 0}o_{s}(h)=0$なので$\lim_{h \to 0,h\neq 0}|(c+o_{s}(h))h|=0$。<br/>
| |
| - | ゆえに、$\lim_{h \to 0,h\neq 0}|f(s+h)-f(s)|=0$<br/>
| |
| - | これは、関数が$s$で連続であることの定義そのものである。
| |
| - | ====導関数の性質====
| |
| - | （１）$f,g$が$I=(a,b)$上で定義された、微分可能な実数値関数ならば<br/>
| |
| - | $\alpha f+\beta g$、$fg(s):=f(s)g(s)$は微分可能で<br/>
| |
| - | それらの導関数の間には、<br/>
| |
| - | $(\alpha f+\beta g )'=\alpha f'+\beta g'$（線形性）ここで$\alpha,\beta$は任意の実数。<br/>
| |
| - | (２) $(fg)'=f'g+fg'$<br/>
| |
| - | 証明は、微分の定義式と極限の性質から容易に導ける。
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| - |
| |
| - | ====平均値の定理====
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| - | '''ロールの定理'''<br/>
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| - | $f$を有界閉区間$I=[a,b],(b>a)$で定義された実数値関数とする。<br/>
| |
| - | $f$が$I=[a,b]$で連続、開区間$(a,b)$で微分可能,しかも$f(a)=f(b)$ならば、<br/>
| |
| - | $f'(\xi)=0$を満たす$\xi\in (a,b)$が存在する。<br/>
| |
| - | 証明；<br/>
| |
| - |
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| - |
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| - |
| |
| - | '''平均値の定理'''<br/>
| |
| - | $f$を有界閉区間$I=[a,b],(b>a)$で定義された実数値関数とする。<br/>
| |
| - | $f$が$I=[a,b]$で連続で、開区間$(a,b)$で微分可能ならば、<br/>
| |
| - | ある数$\xi\in (a,b)$が存在して、<br/>
| |
| - | $f(b)-f(a)=f'(\xi)(b-a)$<br/>
| |
| - | 証明；<br/>
| |
| - |
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| - |
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| - | 系；$f$が$I=(a,b)$上で定数$\Leftrightarrow$ $I$上で恒等的に$f'(t)=0$<br/>
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| - | ===ベクトル値関数の微分===
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| - | 実数の開区間$I=(a,b)$上で定義され,ｎ次元の実ベクトル($\in {\bf R^n}$)に
| |
| - | 値をとる関数$\vec f$を考える。<br/>
| |
| - | 定義;微分可能性<br/>
| |
| - | 実数値関数の場合と同じである。<br/>
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| - |
| |
| - | 導関数の線形性の性質も成り立つ。<br/>
| |
| - | ==== ベクトル値関数の微分とその成分関数の微分の関係====
| |
| - | 関数値$\vec f(s)$は${\bf R^n}$の要素なので<br/>
| |
| - | $\vec f(s)=(f_1(s),f_2(s),\cdots f_n(s))$<br/>
| |
| - | と表示できる。<br/>
| |
| - | すると$\vec f$のｎ個の成分関数<br/>
| |
| - | $f_i,(i=1,2,\cdots n)$<br/>
| |
| - | が得られる。<br/>
| |
| - | 命題；<br/>
| |
| - | $\vec f$が$s\in I$で微分可能$\Leftrightarrow$$f_i(i=1,2,\cdots n)$が$s\in I$で微分可能。<br/>
| |
| - | この時、${\vec f}'(s)=({f_1}'(s),{f_2}'(s)\cdots {f_n}'(s))$<br/>
| |
| - |
| |
| - | ====ベクトル積の微分 ====
| |
| - | 命題<br/>
| |
| - | $ \vec{a(t)} $ と $\vec{b(t)} $は、開区間Ｉ上で定義され、
| |
| - | 微分可能なベクトル値関数とする。すると、<br/>
| |
| - | $ \quad \vec{a(t)} \times \vec{b(t)}$ は微分可能で、<br/>
| |
| - | $ \quad \frac{d}{dt}(\vec{a(t)} \times \vec{b(t)}) =(\frac{d}{dt}\vec{a(t)} )\times \vec{b(t)}+\vec{a(t)}\times (\frac{d}{dt}\vec{b(t)})$
| |
| - | 証明<br/>
| |
| - | すでにこのテキストで紹介した、ベクトル値関数の微分の定義<br/>
| |
| - | $ \quad \frac{d}{dt}(\vec{a(t)} \times \vec{b(t)})
| |
| - | =\lim_{\delta t \to 0}
| |
| - | (\vec a(t+\delta t)\times \vec{b(t+\delta t)}- \vec{a(t)} \times \vec{b(t)})/\delta t$ $\qquad $ (1) <br/>
| |
| - | を用いて証明する。<br/>
| |
| - | この極限が存在し、<br/>
| |
| - | $\frac{d}{dt}\vec{a(t)} \times \vec{b(t)}+\vec{a(t)}\times \frac{d}{dt}\vec{b(t)}$<br/>
| |
| - | になることを示せば命題は証明できたことになる。<br/>
| |
| - | 極限の計算が進むよう、右辺の式の分母は変形しよう。<br/>
| |
| - | 関数の積の微分公式の証明と同じ技巧を用いる。<br/>
| |
| - | $ \vec a(t+\delta t)\times \vec{b(t+\delta t)}
| |
| - | - \vec{a(t)} \times \vec{b(t)}$ <br/>
| |
| - | $ = \vec a(t+\delta t)\times \vec{b(t+\delta t)}
| |
| - | -\vec a(t)\times \vec{b(t+\delta t)}
| |
| - | +\vec a(t)\times \vec{b(t+\delta t)}
| |
| - | - \vec{a(t)} \times \vec{b(t)}$ <br/>
| |
| - | ベクトル積の命題３を利用すると、 <br/>
| |
| - | $ = \left(\vec a\left(t+\delta t\right) -\vec a\left(t\right)\right)
| |
| - | \times
| |
| - | \vec b\left(t+\delta t\right)
| |
| - | +\vec a\left(t\right)\times \left(\vec b\left(t+\delta t\right)- \vec b\left(t\right)\right) $
| |
| - |
| |
| - | この式を式(１)の右辺の分子の項に代入し整頓すると<br/>
| |
| - | $ \quad \frac{d}{dt}(\vec{a(t)} \times \vec{b(t)})
| |
| - | =\lim_{\delta t \to 0}
| |
| - | \frac{\vec a(t+\delta t)\times \vec b(t+\delta t)- \vec a(t) \times \vec b(t)}
| |
| - | {\delta t}$ <br/>
| |
| - | $=\lim_{\delta t \to 0}
| |
| - | \frac{\left(\vec a\left(t+\delta t\right) -\vec a\left(t\right)\right)
| |
| - | \times
| |
| - | \vec b\left(t+\delta t\right)
| |
| - | +\vec a\left(t\right)\times \left(\vec b\left(t+\delta t\right)- \vec b\left(t\right)\right) }
| |
| - | {\delta t}
| |
| - | $ <br/>
| |
| - | ベクトル積の命題４を使い、<br/>
| |
| - | $=\lim_{\delta t \to 0}\left(
| |
| - | \frac{\vec a(t+\delta t) -\vec a(t)}{\delta t}
| |
| - | \times
| |
| - | \vec b\left(t+\delta t\right)
| |
| - | +
| |
| - | \vec a(t)\times \frac{\vec b(t+\delta t)- \vec b(t)}
| |
| - | {\delta t}
| |
| - | \right)$ <br/>
| |
| - | 極限の命題を使って、<br/>
| |
| - | $=\lim_{\delta t \to 0}
| |
| - | \frac{\vec a(t+\delta t) -\vec a(t)}{\delta t}
| |
| - | \times
| |
| - | \lim_{\delta t \to 0}\vec b(t+\delta t)
| |
| - | +
| |
| - | \vec a(t)\times
| |
| - | \lim_{\delta t \to 0}\frac{\vec b(t+\delta t)- \vec b(t)}{\delta t}
| |
| - | $ <br/>
| |
| - | 式中の極限は、$\vec a,\vec b$が、微分可能なので存在し、 <br/>
| |
| - | $\lim_{\delta t \to 0} \frac{\vec a(t+\delta t) -\vec a(t)}{\delta t}
| |
| - | =\frac{d\vec a(t)}{dt}$ <br/>
| |
| - | $\lim_{\delta t \to 0} \frac{\vec b(t+\delta t) -\vec b(t)}{\delta t}
| |
| - | =\frac{d\vec b(t)}{dt}$
| |
| - | ==== $C^{1}$級の関数====
| |
| - | $I=(a,b)$上の関数 $f$ が連続的微分可能（continuously differentiable）であるとは,<br/>
| |
| - | $I$上で導関数 $f'$ が存在して、しかも$f'$ が$I$上で連続であることをいう。<br/>
| |
| - | $I=(a,b)$上で連続的微分可能である関数を$C^{1}$級関数という。<br/>
| |
| - |
| |
| - |
| |
| - | ===多変数の実数値関数の微分 ===
| |
| - | ${\bf R^n}=\{(x_1,x_2,,,x_n) \mid x_i\in{\bf R},i=1,2,\cdots n\}$
| |
| - | の開区間
| |
| - | $I^n=\prod_{i=1}^{n}(a_i,b_i)$上で定義された実関数$y=f(x_1,x_2,,,x_n)$
| |
| - | を考える。
| |
| - | 一変数関数の議論から類推しやすくするため、以後<br/>
| |
| - | ${\bf x}:=(x_1,x_2,,,x_n)$とおき、$y=f({\bf x})$と書くこともある。<br/>
| |
| - | この上で定義された実数値関数$y=f({\bf x})=f(x_1,x_2,,,x_n)$の微分について説明する。<br/>
| |
| - | 最初に思いつくのは、一変数のときと同じ定義をもちいることであり<br/>
| |
| - | $\lim_{{\bf h} \to 0,{\bf h}\neq 0}\frac{f({\bf s}+{\bf h})-f({\bf s})}{{\bf h} }=c$<br/>
| |
| - | が存在するときｓで微分可能と定義すること。<br/>
| |
| - | しかし、<br/>
| |
| - | ${\bf h}$はｎ次元ベクトルなので割り算は不可能。
| |
| - | ====方向微分====
| |
| - | そこで、${\bf e}\in {\bf R^n}、{\bf e}\neq 0$を用いて、<br/>
| |
| - | この方向にそって$h=t{\bf e}$が零に近づく($t \to 0$)ときの<br/>
| |
| - | 関数値の瞬間的変化率を考える。
| |
| - |
| |
| - | 定義;${\bf e}$方向の微分可能性<br/>
| |
| - | 関数$f$が${\bf s}\in I^n$で'''${\bf e}$方向に微分可能'''であるとは、極限<br/>
| |
| - | $\lim_{t \to 0,\neq 0}\frac{f({\bf s}+t{\bf e})-f({\bf s})}{t}=c \qquad \qquad (1)$<br/>
| |
| - | が存在することである。<br/>
| |
| - | この時$c$を$f$の${\bf s}$における'''${\bf e}$方向の微分係数'''あるいは${\bf e}$方向の導値といい、<br/>
| |
| - | $\frac{\partial f}{\partial{\bf e} }({\bf s})、(D_{\bf e}{f)({\bf s})$<br/>
| |
| - | などと書く。<br/>
| |
| - | $I^n=\prod_{i}(a_i,b_i)$の各点で$f$が${\bf e}$方向に微分可能であるとき、
| |
| - | $f$は'''${\bf e}$方向に微分可能関数'''という。<br/>
| |
| - | この時、任意の${\bf s}\in I^n$に対して、$\frac{\partial f}{\partial{\bf e} }({\bf s})$が定まるので、<br/>
| |
| - | 関数$\frac{\partial f}{\partial{\bf e} }$が定まる。
| |
| - | これを$f$の${\bf e}$方向の${\bf 導関数}$という。<br/>
| |
| - | =====偏微分=====
| |
| - | ${\bf R^n}$の自然基底${\bf e_1}=(1,0,\cdots 0),,,,,{\bf e_n}=(0,0,,,1)$を、<br/>方向に選んだときの方向微分は、良くつかわれる。<br/>
| |
| - | 定義；偏微分<br/>
| |
| - | 関数$f$が${\bf s}\in I^n$で'''${\bf e_i}$方向に微分可能'''であるとき、<br/>
| |
| - | $f$は、${\bf s}\in I^n$で第ｉ座標$x_i$にかんして偏微分可能という。<br/>
| |
| - | $(D_{\bf e_i}({\bf s})$を, $f$の ${\bf s}$における $x_i$ についての偏微分係数といい、<br/>
| |
| - | $\frac{\partial f}{\partial x_i}({\bf s}),f_{x_{i}},(D_if)({\bf s})$
| |
| - | などと書く。
| |
| - |
| |
| - | *[[wikipedia_ja:偏微分 |ウィキペディア(偏微分)]]
| |
| - |
| |
| - | ==== $C^{1}$級の関数====
| |
| - | $I^n=\prod_{i=1}{n}(a_i,b_i)$上の関数 $f$ が連続的微分可能（continuously differentiable）であるとは,<br/>
| |
| - | $I$上ですべての偏導関数 $\frac{\partial f}{\partial x_i},(i=1,2,,,n)$ が存在して、しかも$I$上で連続であることをいう。<br/>
| |
| - | $I^n$上の$C^{1}$級関数という。<br/>
| |
| - | $f\in C^{1}(I^n)$と記す。
| |
| - |
| |
| - | ====微分(全微分） ====
| |
| - | 定義１；微分可能(全微分可能ともいう）、導値(微分係数）、導関数<br/>
| |
| - | 定理１；<br/>
| |
| - | 微分可能ならば、偏微分可能<br/><br/>
| |
| - | 定理２<br/>
| |
| - | $C^{1}$級の関数は微分可能<br/>
| |
