logo

大学数学で新しく定義される連続関数 📂解析学

大学数学で新しく定義される連続関数

定義

空集合じゃないERE \subset \mathbb{R}に対してf:ERf : E \to \mathbb{R}としよう。全てのε>0\varepsilon > 0に対して

xa<δ    f(x)f(a)<ε | x - a | < \delta \implies | f(x) - f(a) | < \varepsilon

を満たすδ>0\delta>0が存在するなら、ffaEa \in E連続continuousと言い、EEの全ての点で連続ならff連続関数continuous functionという。

説明

高校で連続を定義する時、

  • 関数値f(a)f(a)が存在する。
  • 極限limxa\lim \limits_{x \to a}が存在する。
  • f(a)=limxaf(a) = \lim \limits_{x \to a}が成り立つ。

この三条件が成り立つ時、ffx=ax = aで連続って言った。イプシロン-デルタ論法を受け入れたなら、この定義は実は高校のレベルと変わらないことが分かるだろう。

xa<δ| x - a | < \deltaの時にf(x)f(a)<ε| f(x) - f(a) | < \varepsilonっていうのは、xxaaの近くでちょっとだけ動くなら、f(x)f(x)f(a)f(a)からちょっとだけ動くって意味になるだろう。つまり、xxを変えてffに入れてみても、「急激に」、つまり不連続的に関数値が変わらないってことだ。言い換えれば、連続ってグラフで考えるなら「切れてない」ことを言うんだ。

高校生の中には、こんな直感的にだけ受け入れて「切れてない」関数を連続関数と受け入れたケースが結構ある。そうじゃない例で言うと、f(x):=1xf(x) := {{ 1 } \over { x }}x=0x=0で切れてるけど、定義域R=R{0}\mathbb{R}^{ \ast } = \mathbb{R} \setminus \left\{ 0 \right\}の全ての点で連続だから、連続関数であってる。普通は知らなくても生きていく上で支障はないけど、知らなかったら、この機会にしっかりと概念を捉え直そう。

定理

ffaEa \in Eで連続っていうのは、以下と同値だ。

limnxn=a    limnf(xn)=f(a) \lim \limits_{n \to \infty} x_{n} = a \implies \lim \limits_{n \to \infty} f( x_{n} ) = f(a)


この定理は、関数の連続性によってlimn\lim \limits_{n \to \infty}ffの内外を行き来できることを保証する。数学以外の多くの分野で、ちゃんとチェックせずに当たり前のように使われる場合が多いけど、これもまた、数学者の立場からすると、厳密に問いただすべき点だ。