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数学学習法
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- 281 ：
- [ 解説１, limsup の定義 ]
g：R → R と x∈R に対して、limsup[y→x] g(y) を定義する方法は主に２つある。
１つ目の定義の仕方：
拡大実数を X と書くことにする。R ⊂ X が成り立つことに注意して、任意の δ＞0 に対して
{ g(y)｜0＜|y−x|＜δ} ⊂ X
が成り立つので、X の中に sup{ g(y)｜0＜|y−x|＜δ} が常に定まる。
よって、X の中に inf[δ＞0] sup{ g(y)｜0＜|y−x|＜δ} が常に定まる。
この値のことを limsup[y→x] g(y) と定義する。すなわち、
limsup[y→x] g(y)：＝ inf[δ＞0] sup{ g(y)｜0＜|y−x|＜δ} (右辺は X の中で定まる値)
と定義する。この定義では、limsup[y→x] g(y) ∈ X が成り立つ。
２つ目の定義の仕方：
拡大実数を持ち出さずに、集合 { g(y)｜0＜|y−x|＜δ} が δ＞0 に応じてどんな挙動を示すかで場合分けし、
ツギハギで定義する方法がある(ツギハギの詳細は面倒くさいので省略)。この方針で定義する利点は、
「拡大実数がいらない」という点だけであり、定義の仕方としては美しくない。しかも、こちらの定義では
「 limsup[y→x] g(y)＝＋∞ 」や「 limsup[y→x] g(y)＝−∞ 」が形式的な表記として導入されるので、
±∞ の取り扱いが形式的なものになる。しかし、大学1年程度の微積分では、この定義が用いられることがある。
ちなみに、得られる limsup の性質は、拡大実数を用いて定義したものと同じになる。
というか、同じになるような定義を、拡大実数を用いずにツギハギで構成しているだけ。
- 282 ：
- [ 解説２, limsup[y→x] g(y) ＜ ＋∞ の意味 ]
１つ目の定義における limsup[y→x] g(y) ＜ ＋∞ の意味：
α＝limsup[y→x] g(y) と置くと、これは X の元なのだった。また、＋∞ も X の元である。よって、
limsup[y→x] g(y) ＜ ＋∞
という不等式は、
α＜＋∞, α∈X, ＋∞∈X
という、X の中での普通の不等式を意味する。この時点で意味が定まっているのだから、これで終わり。
ただし、＋∞という記号が出てこない書き方も可能である。実際、拡大実数の性質により、
「 α＜＋∞, α∈X, ＋∞∈X 」という条件から
「ある実数 C＞0 が存在して α＜C が成り立つ」
ことが言える。よって、limsup[y→x] g(y) ＜ ＋∞ という記号列は、
「ある実数 C＞0 が存在して limsup[y→x] g(y)＜C が成り立つ」
という意味である、… とも書ける。
２つ目の定義における limsup[y→x] g(y) ＜ ＋∞ の意味：
こちらの場合、「 limsup[y→x] g(y) ＜ ＋∞ 」という表記法自体がそもそも形式的な表記として導入され、
その意味は そもそも「ある実数 C＞0 が存在して limsup[y→x] g(y)＜C が成り立つ」と定義される。
- 283 ：
- [ 解説３, R−B_f ＝{ x∈R｜ limsup[y→x]｜(f(y)−f(x))/(y−x)｜＝＋∞ } が成り立つ理由 ]
２つの定義それぞれに対して、R−B_f ＝{ x∈R｜ limsup[y→x]｜(f(y)−f(x))/(y−x)｜＝＋∞ } が成り立つことを
以下で解説する。まず、１つ目の定義で limsup を定義した場合の
B_f＝{ x∈R｜ limsup[y→x]｜(f(y)−f(x))/(y−x)｜＜＋∞ }
について見ていく。１つ目の定義では、limsup[y→x]｜(f(y)−f(x))/(y−x)｜は拡大実数 X の中の元であるから、
拡大実数の性質により、自動的に
R−B_f＝{ x∈R｜ limsup[y→x]｜(f(y)−f(x))/(y−x)｜＝＋∞ }
が成り立つ。これで終わりｗｗ
あるいは、１つ目の定義において、「 α＜＋∞ 」は「ある実数 C＞0 が存在して α＜C が成り立つ」
という意味にもなることが拡大実数の性質により導かれるのだった。よって、
B_f＝{ x∈R｜ある実数 C＞0 が存在して limsup[y→x]｜(f(y)−f(x))/(y−x)｜＜C が成り立つ } … (1)
とも表せることになるので、この表現を使うと
R−B_f＝{ x∈R｜任意の実数 C＞0 に対して limsup[y→x]｜(f(y)−f(x))/(y−x)｜≧C が成り立つ } … (2)
と表せることになる。ここで、「任意の実数 C＞0 に対して α≧C が成り立つ」という性質を満たす α∈X は
α＝＋∞ しかないことが拡大実数の性質により導かれるので、自動的に
R−B_f＝{ x∈R｜ limsup[y→x]｜(f(y)−f(x))/(y−x)｜＝＋∞ } … (3)
が導かれる。よって、１つ目の定義では、いずれにしても (3) が成り立つ。
２つ目の定義では、そもそも (1) の意味として出発することになる。この場合、
「ツギハギの定義」と見比べることで、やはり (3) が導出される(詳細は省略)。
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