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関数の連続の定義 [ネコ騙し数学]

関数の連続の定義


関数の連続の定義は、

定義Ⅰ関数f(x)の定義域Iに属する任意のaに対して

  

であるとき、関数f(x)x=aで連続であるという。

定義Ⅰは、高校で習い、それ以降も使い続けている連続の定義だからおなじみだと思う。


ε-δ論法ならば、次のようになる。


定義Ⅱ

fを区間Iで定義された関数、a∈Iとする。

任意の正数ε>0に対して、

  

となる正数δ>0が存在するとき、関数fx=aで連続であるという。

定義Ⅱは、難解(?)で有名な、悪名高いε-δ論法を用いた関数の連続の定義で、高校時代に数学が得意中の得意であった学生の圧倒的大多数がここでドロップアウトしてしまう。そして、多数の(大学の)数学嫌いを排出してしまう(^^)

このためだろうか、解析学の名著(?)とされる高木貞治の『解析概論』は、基本的に、この悪名高いε-δ論法を採用しておらず、(1)と(2)の中間的な手法が使われているようだ。

この2つの定義の他に、収束する数列(点列)を用いた関数の連続の定義が存在する。


定義Ⅲ

fを区間Iで定義された関数、a∈Iとする。

aに収束するすべての点列に対して

  

であるとき、関数fx=aで連続であるという。

(大学の)微分積分、解析などの教科書のなかには、(2)の定義はあまりに難解(?)ということで、定義Ⅲを関数の連続として採用しているものもある。

定義Ⅱと定義Ⅲは同値の命題なので、どちらを関数の連続の定義として採用しても構わない。

【証明】

定義Ⅱ⇒定義Ⅲ

(2)から定まるδ>0をとると、関数fx=aで連続なので、任意の正数ε>0に対して

  

点列aに収束するので、任意の正数ε’>0に対して

  

となる正の整数Nが存在する。

ε'は任意の正数だからε'=δとおくと

  

となるNが存在し、①と②より

  


定義Ⅲ⇒定義Ⅱ

(2)を否定すると

あるε>0があって、任意のδ>0に対して、

  

となるxが存在する、である。

このとき、δ=1/nとすると

  

となるが存在する。

このようにして得られたを一つ選び、新たにというを作ると、この数列は

  

になるけれど、

  

である。

よって、証明された。

(証明終)

定義Ⅲ⇒定義Ⅱの証明では、対偶法を使っているのでわかりにくいと思うけれど・・・。


ちなみに、対偶法は、「p⇒q」という命題と「¬q⇒¬p」という命題が同値であることを利用して、「p⇒q」という命題を証明する代わりに「¬q⇒¬p」という命題を証明する証明法のことである。


ε-δ論法の代わりに、定義Ⅲでは数列の極限でε-δ論法の仲間であるε-N論法を使っているので、定義Ⅱ、定義Ⅲの分かりにくさは五十歩百歩で変わらないと思うのだが、定義Ⅲの方が学生への負担は少ないと言われているようだ。



問題

関数fRで連続とする。∀x,∀y∈Rに対して

  

であるとき、ff(x)=f(1)xで表されることを証明せよ。

【証明】

  

したがって、任意のxについて

  

また、

  

同様に

  

したがって、n≠0の整数nに対して

  

よって、すべてのmn以外のすべての整数に対して

  

x=m/nとおけば

  


ここで終わりにしてはいけない。

なぜならば、x=m/nの形で表される点、つまり、有理数の点でのみ、f(x)=f(1)xになることを示しただけで、無理数の点でもf(x)=f(1)xが成立することを証明していない。

それに、問題中にある実数Rの全域でfが連続という条件をまだ使っていない!!


ここで、今回、紹介した定義Ⅲが威力を発揮する!!

無理数xに収束する有理数の数列となるものを選ぶと、fが連続であることより

よって、無理数の点xに対しても

である。

よって、証明された。

(証明終)

ネムネコは、

定義Ⅲを用いたこの証明は、奥歯に物が挟まっているようで、大嫌いだ!!

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