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カントールの交差定理 📂解析学

カントールの交差定理

定義1

集合数列 {Sn}n=1\left\{ S_{n} \right\}_{n=1}^{\infty} が全ての自然数 nn に対して Sn+1SnS_{n+1} \subset S_{n} が成り立つなら、ネステッドnestedされていると言う。

説明

ネステッドの訳はあまりスムーズではないが、別の選択肢がないので、そのままネステッドNestedと覚えることをお勧めする。

定理

ネステッドされた区間 [an,bn][a_{n}, b_{n}] について、次が成り立つ。

(a) n=1[an,bn]\displaystyle \bigcap_{n=1}^{\infty} [a_{n}, b_{n}] \ne \emptyset

(b) 特に limn(bnan)=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} (b_{n} - a_{n}) = 0 の場合、 n=1[an,bn]\displaystyle \bigcap_{n=1}^{\infty} [a_{n}, b_{n}] は単元素集合である。

単元素集合 とは、要素がただ一つしか存在しない集合をいう。

証明

(a)

全ての自然数 nn に対して、仮定により

[an+1,bn+1][an,bn]a1anbnb1 [a_{n+1} , b_{n+1} ] \subset [a_{n} , b_{n} ] \\ a_{1} \le a_{n} \le b_{n} \le b_{1}

完備性公理により、二つの数

a:=sup{an}b:=inf{bn} a:=\sup \left\{ a_{n} \right\} \\ b:=\inf \left\{ b_{n} \right\}

が存在する。全自然数に対して anabbna_{n} \le a \le b \le b_{n} が成り立つので、 [a,b][an,bn][a,b] \subset [a_{n} , b_{n} ] が成り立ち、結果として

n=1[an,bn] \bigcap_{n=1}^{\infty} [a_{n}, b_{n}] \ne \emptyset

(b)

limn(bnan)=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} (b_{n} - a_{n}) = 0 を仮定すると、 a=ba=b により

n=1[an,bn]={a}={b} \bigcap_{n=1}^{\infty} [a_{n}, b_{n}] = \left\{ a \right\} = \left\{ b \right\}

参照


  1. William R. Wade, An Introduction to Analysis (4th Edition, 2010), p55 ↩︎