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極限

関数の極限

関数y=f(x)y=f(x)において、変数xxが一定な数aaに限りなく近づいていくとき、それにつれて関数f(x)f(x)の値が一定な値bbに限りなく近づくとする。

このことを

xxaaに限りなく近づくとき、関数f(x)f(x)には極限が存在して、その 極限値bbである

あるいは

関数f(x)f(x)bb収束 する

という。そして

limxaf(x)=b または f(x)b(xa)\lim _{x \rightarrow a} f(x)=b \quad \text { または } \quad f(x) \rightarrow b \quad(x \rightarrow a)

と表す。

例:関数f(x)=x2f(x)=x^2において、変数xxが2に限りなく近づくとき、f(x)f(x)の値は4に限りなく近づく

変数xxが数列

2.1,2.01,2.001,,2+(110)n,2.1,2.01,2.001, \cdots, 2+\left(\frac{1}{10}\right)^n, \cdots

の値を取り2に近づいていくとき、関数f(x)=x2f(x)=x^2の値は

4.41,4.0401,4.004001,,4+4(110)n+(110)2n,4.41,4.0401,4.004001, \cdots, 4+4\left(\frac{1}{10}\right)^n+\left(\frac{1}{10}\right)^{2 n}, \cdots

右極限、左極限

例:

limx+0xx=1,limx0xx=1\lim _{x \rightarrow+0} \frac{|x|}{x}=1, \quad \lim _{x \rightarrow-0} \frac{|x|}{x}=-1

絶対値の定義

a={a(a>0)a(a<0)|a| = \begin{cases} a & (a > 0)\\ -a & (a < 0) \end{cases}

より、x>0x > 0ならばxx=xx=1\frac{|x|}{x} = \frac{x}{x} = 1 x<0x < 0ならばxx=xx=1\frac{|x|}{x} = \frac{-x}{x} = -1 となるため。

この例では、関数f(x)=x/xf(x) = |x|/xx=0x=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) = bx=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:

limx+1x=0,limx1x=0\lim _{x \rightarrow +\infty} \frac{1}{x} = 0, \quad \lim _{x \rightarrow -\infty} \frac{1}{x} = 0

変数xx1,2,,n,-1, -2, \cdots, -n, \cdotsと絶対値が無限大に近づく場合、f(x)=1/xf(x)=1/x1,1/2,,1/n,-1, -1/2, \cdots, -1/n, \cdotsと0に近づくため。

εδ\varepsilon - \delta論法

関数の極限

limxaf(x)=b\lim _{x \rightarrow a} f(x)=b

が存在するためにはf(x)bf(x)\to bxax\to aで保証できればよいため、xax\to af(x)b<ε|f(x) - b| < \varepsilon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:

limx2x2=4\lim _{x \rightarrow 2} x^2=4

を証明せよ。

解:

任意の正の数 ε\varepsilon に対して 0<x2<δ0<|x-2|<\delta ならば x24<ε\left|x^2-4\right|<\varepsilon となるような δ\delta を見つけなければならない。

0<x2<δ0<|x-2|<\delta ならば

x24=(x+2)(x2)=(x2)+4x2x22+4x2<δ2+4δ\begin{aligned} \left|x^2-4\right| & =|(x+2)(x-2)|=|(x-2)+4| \cdot|x-2| \\ & \leqq|x-2|^2+4|x-2|<\delta^2+4 \delta \end{aligned}

よってδ\delta として, 1 か ε/5\varepsilon / 5 の小さい方をとれば

  • ε5\varepsilon \geqq 5 ならば δ=1\delta=1 で, x24<δ2+4δ=5ε\left|x^2-4\right|<\delta^2+4 \delta=5 \leqq \varepsilon

  • ε5\varepsilon \leqq 5 ならば δ=ε/5\delta=\varepsilon / 5 で, x24<δ2+4δ<5δ=ε\left|x^2-4\right|<\delta^2+4 \delta<5 \delta=\varepsilon

すなわちx24<ε|x^2 - 4| < \varepsilonとなる。したがってlimx2x2=4\lim_{x\to2} x^2 = 4

実際に数値を入れて確かめるとする。

x24<0.1|x^2 - 4| < 0.1とするには、δ=ε/5=0.1/5=0.02\delta = \varepsilon / 5 = 0.1 / 5 = 0.02

0<x2<0.020<|x-2|<0.02より、1.98<x<2.021.98 < x < 2.02だから、3.9204<x2<4.08043.9204<x^2<4.0804のため0.0796<x24<0.0804-0.0796 < x^2 - 4 < 0.0804でありx24<0.1|x^2 - 4|<0.1が成り立っている

連続

例:

f(x)=x2f(x)=x^2x=2x=2で連続である。なぜなら、limx2f(x)=4=f(2)\lim_{x\to 2} f(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\varepsilon に対して、適当な δ\delta をとって、xa<δ|x-a|<\delta であるすべての xx について f(x)f(a)<ε|f(x)-f(a)|<\varepsilon が成り立つ

連続関数の性質

例えば 多項式(polynomial)

a0xn+a1xn1++an(n:自然数)a_0 x^n+a_1 x^{n-1}+\cdots+a_n \quad (n: \text{自然数})

<x<-\infty < x < \inftyで連続である。

また、有理関数(rational function)

a0xn+a1xn1++anb0xm+b1xm1++bm(m,n: 自然数 )\frac{a_0 x^n+a_1 x^{n-1}+\cdots+a_n}{b_0 x^m+b_1 x^{m-1}+\cdots+b_m} \quad(m, n: \text { 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)\sin (x^2)sin(sinx)\sin (\sin x)<x<-\infty<x<\infty で連続である

例:y=2xy=2xy=x/2y=x/2

Source
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()
<Figure size 400x200 with 1 Axes>