1 収束の定義と最初の例
定義 1.1 (数列の収束).(an)n∈Z≥1を実数列とし、L∈Rとする。(an)n∈Z≥1がLに 収束する (converge) とは、
∀ε∈R>0 ∃N∈Z≥1 ∀n∈Z≥1(n≥N⟹∣an−L∣<ε)が成り立つことをいう。このときan→Lと書き、Lを数列(an)n∈Z≥1の極限という。
例 1.2. 実数列(1/n)n∈Z≥1は0に収束する。
証明. 実数ε>0を取る。§D1.4 系 2.2により、ある正の整数Nが存在し、任意の正の整数n≥Nに対して
0<n1<εが成り立つ。したがって、任意の正の整数n≥Nに対して∣1/n−0∣=1/n<εである。定義 1.1により1/n→0である。▨
2 極限の一意性と部分列
命題 2.1 (極限の一意性).(an)n∈Z≥1を実数列とし、L,L′∈Rとする。an→Lかつan→L′ならばL=L′である。
証明.L=L′と仮定し、ε=∣L−L′∣/2>0と置く。an→Lであるから、ある正の整数N1が存在し、任意の正の整数n≥N1に対して∣an−L∣<εが成り立つ。同様に、ある正の整数N2が存在し、任意の正の整数n≥N2に対して∣an−L′∣<εが成り立つ。正の整数n=max{N1,N2}を取ると、
∣L−L′∣≤∣L−an∣+∣an−L′∣<2ε=∣L−L′∣となる。これは実数∣L−L′∣が自分自身より小さいことを意味するので、L=L′という仮定に反する。したがってL=L′である。▨
命題 2.2 (部分列への遺伝).(an)n∈Z≥1を実数列とし、L∈Rとする。an→Lならば、正の整数からなる任意の狭義単調増加列(nk)k∈Z≥1に対してank→Lである。
証明. 実数ε>0を取る。an→Lであるから、ある正の整数Nが存在し、任意の正の整数n≥Nに対して∣an−L∣<εが成り立つ。正の整数からなる狭義単調増加列は、任意の正の整数kに対してnk≥kを満たす。したがって、任意の正の整数k≥Nに対してnk≥k≥Nであり、∣ank−L∣<εが成り立つ。ゆえにank→Lである。▨
系 2.3.(an)n∈Z≥1を実数列とする。正の整数からなる狭義単調増加列(nk)k∈Z≥1と(mk)k∈Z≥1および相異なる実数L,L′が存在して、ank→Lかつamk→L′が成り立つならば、(an)n∈Z≥1はどの実数にも収束しない。
証明.an→Aを満たす実数Aが存在すると仮定する。命題 2.2によりank→Aかつamk→Aである。命題 2.1をそれぞれの部分列へ適用するとL=AかつL′=Aとなり、L=L′に反する。したがって(an)n∈Z≥1はどの実数にも収束しない。▨
3 実数への非収束と正の無限大への発散
命題 3.1. 実数列(an)n∈Z≥1がどの実数にも収束しないことと、
∀L∈R ∃ε∈R>0 ∀N∈Z≥1 ∃n∈Z≥1(n≥N ∧ ∣an−L∣≥ε)が成り立つことは同値である。
証明. 実数Lを固定する。定義 1.1の量化式を否定すると、
∃ε∈R>0 ∀N∈Z≥1 ∃n∈Z≥1(n≥N ∧ ∣an−L∣≥ε)を得る。(an)n∈Z≥1がどの実数にも収束しないことは、この否定式が任意のL∈Rに対して成り立つことに等しい。したがって主張の量化式を得る。▨
定義 3.2 (正の無限大への発散). 実数列(an)n∈Z≥1が正の無限大へ発散 (divergence to positive infinity) するとは、
∀M∈R ∃N∈Z≥1 ∀n∈Z≥1(n≥N⟹an>M)が成り立つことをいい、an→+∞と書く。記号+∞は実数を表さず、この定義は実数を極限とする収束の定義とは異なる。
例 3.3. 実数列(an)n∈Z≥1をan=nによって定める。この数列は正の無限大へ発散し、どの実数にも収束しない。
証明. 実数Mを取る。§D1.4 命題 2.1によりM<Nを満たす正の整数Nが存在する。任意の正の整数n≥Nに対してan=n≥N>Mであるから、an→+∞である。
実数Lを取ってε=1と置く。任意の正の整数Nに対して、§D1.4 命題 2.1により
n>max{N,L+1}を満たす正の整数nが存在する。このnはn≥Nかつ∣an−L∣=n−L>1を満たす。命題 3.1により(an)n∈Z≥1はどの実数にも収束しない。▨
例 3.4. 実数列(an)n∈Z≥1をan=(−1)nによって定める。この数列は有界であるが、どの実数にも収束しない。
正の整数nに対して∣an∣=1であるから、この数列は有界である。正の整数kに対して
a2k=1,a2k−1=−1が成り立つ。任意の実数ε>0と任意の正の整数kに対して∣a2k−1∣=0<εかつ∣a2k−1−(−1)∣=0<εであるから、a2k→1かつa2k−1→−1である。系 2.3により(an)n∈Z≥1はどの実数にも収束しない。