関数の極限¶
関数y=f(x)において、変数xが一定な数aに限りなく近づいていくとき、それにつれて関数f(x)の値が一定な値bに限りなく近づくとする。
このことを
xがaに限りなく近づくとき、関数f(x)には極限が存在して、その 極限値 はbである
あるいは
関数f(x)はbに 収束 する
という。そして
x→alimf(x)=b または f(x)→b(x→a) と表す。
例:関数f(x)=x2において、変数xが2に限りなく近づくとき、f(x)の値は4に限りなく近づく
変数xが数列
2.1,2.01,2.001,⋯,2+(101)n,⋯ の値を取り2に近づいていくとき、関数f(x)=x2の値は
4.41,4.0401,4.004001,⋯,4+4(101)n+(101)2n,⋯ 例:
x→+0limx∣x∣=1,x→−0limx∣x∣=−1 絶対値の定義
∣a∣={a−a(a>0)(a<0) より、x>0ならばx∣x∣=xx=1
x<0ならばx∣x∣=x−x=−1
となるため。
この例では、関数f(x)=∣x∣/xはx=0では定義されていないことがわかる。ここからわかるように、\lim_{x\to a} f(x) = b は x=a のとき f(a)=b であることを主張しているわけではない。
例:
x→+∞limx1=0,x→−∞limx1=0 変数xが−1,−2,⋯,−n,⋯と絶対値が無限大に近づく場合、f(x)=1/xは−1,−1/2,⋯,−1/n,⋯と0に近づくため。
ε−δ論法¶
関数の極限
x→alimf(x)=b が存在するためにはf(x)→bをx→aで保証できればよいため、x→aで∣f(x)−b∣<εになることを保証できれば、関数の極限が存在することになる
よって、関数の極限についてのより厳密な定義は次のようになる
例:
x→2limx2=4 を証明せよ。
解:
任意の正の数 ε に対して 0<∣x−2∣<δ ならば ∣∣x2−4∣∣<ε となるような δ を見つけなければならない。
0<∣x−2∣<δ ならば
∣∣x2−4∣∣=∣(x+2)(x−2)∣=∣(x−2)+4∣⋅∣x−2∣≦∣x−2∣2+4∣x−2∣<δ2+4δ よってδ として, 1 か ε/5 の小さい方をとれば
ε≧5 ならば δ=1 で, ∣∣x2−4∣∣<δ2+4δ=5≦ε
ε≦5 ならば δ=ε/5 で, ∣∣x2−4∣∣<δ2+4δ<5δ=ε
すなわち∣x2−4∣<εとなる。したがってlimx→2x2=4
実際に数値を入れて確かめるとする。
∣x2−4∣<0.1とするには、δ=ε/5=0.1/5=0.02
0<∣x−2∣<0.02より、1.98<x<2.02だから、3.9204<x2<4.0804のため−0.0796<x2−4<0.0804であり∣x2−4∣<0.1が成り立っている
例:
f(x)=x2はx=2で連続である。なぜなら、limx→2f(x)=4=f(2)であるため。
別の言い方をすると
任意の正の数 ε に対して、適当な δ をとって、∣x−a∣<δ であるすべての x について ∣f(x)−f(a)∣<ε が成り立つ
例えば 多項式(polynomial)
a0xn+a1xn−1+⋯+an(n:自然数) は −∞<x<∞で連続である。
また、有理関数(rational function)
b0xm+b1xm−1+⋯+bma0xn+a1xn−1+⋯+an(m,n: 自然数 ) は分母が0になる点を覗いていたるところで連続である
例えば sin(x2) や sin(sinx) は −∞<x<∞ で連続である
例:y=2xとy=x/2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(0, 1, 50)
y1 = 2*x
y2 = x/2
fig, ax = plt.subplots(figsize=[4, 2])
ax.plot(x, y1, label=r"$y = 2x$")
ax.plot(x, y2, label=r"$y = x/2$")
ax.legend()
fig.show()