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未解決問題1

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$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathrm{div}} \newcommand{division}[0]{÷} \newcommand{grad}[0]{\mathrm{grad}\ } \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{rot}[0]{\mathrm{rot}\ } \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$
追記

解決しました!!協力してくださった buta_kimchi_ さん, J_Koizumi さん, yakiniku_math さん,本当にありがとうございます!!!

ここでは問題を作ったのはいいものの,解けなかったものを投下していきます.どなたか解いていただけるととても喜びます.

今回の問題は 件のツイート です(ツイート内容では問題設定をミスってたので,この記事はその訂正版です).

$D$を集合,$K$$\R$$\C$$S$$K$-ベクトル空間$\mathrm{Map}\left(D,K\right)$の部分空間,$\left\langle\cdot,\cdot\right\rangle$$S$上の内積,$\beta$
$\forall g\in S,\ \forall f\in S,\ \beta_g\left(f\right)=\left\langle f,g\right\rangle$
により定義される($K$-線型)写像$\beta:S\to\mathrm{Map}\left(S,K\right)$$\delta$
$\forall x\in D,\ \forall f\in S,\ \delta_x\left(f\right)=f\left(x\right)$
により定義される写像$\delta:D\to\mathrm{Map}\left(S,K\right)$とし,
$\forall x\in D,\ \exists f\in S\ \mathrm{s.t.}\ f\left(x\right)\neq0$を満たすとします.

このとき,$\mathrm{Im}\beta\cap\mathrm{Im}\delta=\varnothing$は証明可能ですか,それとも否定モデルが構成出来ますか.

$\mathrm{Map}\left(D,K\right)$は関数の和とスカラー倍により$K$-ベクトル空間と見做してください.

なお,肯定モデルは,$a$$b$$a< b$なる拡張実数として$D=\left]a,b\right[$$K=\R$$S\in C^0\left(D;K\right)$$\displaystyle\forall\left(f,g\right)\in S^2,\ \left\langle f,g\right\rangle=\int_Df\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$とすることで得られます.これはデルタ超関数が関数でないことを意味します.

つまり以下の定理が成り立ちます.

$a$$b$を拡張実数とし,$a< b$を満たすとします.

このとき,以下が成り立ちます.
$\displaystyle\forall x\in\left]a,b\right[,\ \forall g\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ \exists f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)\ \mathrm{s.t.}\ f\left(x\right)\neq\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$

解説
$\displaystyle\exists x\in\left]a,b\right[\ \mathrm{s.t.}\ \exists g\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)\ \mathrm{s.t.}\ \forall f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ f\left(x\right)=\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$
と仮定する.$\displaystyle\forall f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ f\left(x\right)=\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$を満たす$\left]a,b\right[$の元$x$$C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)$の元$g$をとる.

Cauchy–Schwarzの不等式より,
$\displaystyle\forall f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ \left(\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t\right)^2\leq\int_a^bf\left(t\right)^2\mathrm{d}t\int_a^bg\left(t\right)^2\mathrm{d}t$
であり,$g$の性質から
$\displaystyle\forall f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ f\left(x\right)^2\leq\int_a^bf\left(t\right)^2\mathrm{d}tg\left(x\right)$
となる.ここで$f:\left]a,b\right[\to\R;t\mapsto e^{-\pi\left(g\left(x\right)+1\right)^2\frac{\left(t-x\right)^2}{2}}$を考えると,
$\displaystyle 1\leq\int_a^be^{-\pi\left(g\left(x\right)+1\right)^2\left(t-x\right)^2}\mathrm{d}tg\left(x\right)$
を得る.

$\left(\mathrm{i}\right)g\left(x\right)\leq0$のとき
$\displaystyle1\leq\int_a^be^{-\pi\left(g\left(x\right)+1\right)^2\left(t-x\right)^2}\mathrm{d}tg\left(x\right)<0$より矛盾.

$\left(\mathrm{ii}\right)g\left(x\right)>0$のとき
$\displaystyle1\leq\int_a^be^{-\pi\left(g\left(x\right)+1\right)^2\left(t-x\right)^2}\mathrm{d}tg\left(x\right)\leq\int_{-\infty}^\infty e^{-\pi\left(g\left(x\right)+1\right)^2\left(t-x\right)^2}\mathrm{d}tg\left(x\right)=\frac{g\left(x\right)}{g\left(x\right)+1}=1-\frac{1}{g\left(x\right)+1}$より矛盾.

以上$\left(\mathrm{i}\right)$$\left(\mathrm{ii}\right)$より,矛盾する.この矛盾は
$\displaystyle\exists x\in\left]a,b\right[\ \mathrm{s.t.}\ \exists g\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)\ \mathrm{s.t.}\ \forall f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ f\left(x\right)=\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$
と仮定したことに起因する.従って背理法により,仮定の否定,つまり
$\displaystyle\forall x\in\left]a,b\right[,\ \forall g\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ \exists f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)\ \mathrm{s.t.}\ f\left(x\right)\neq\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$
が成り立つ.$\blacksquare$

証明から,$S=C^0\left(D;K\right)$だけでなく,$n$を正整数として$S=C^n\left(D;K\right)$$S=C^\infty\left(D;K\right)$$S=C^\omega\left(D;K\right)$でも成立することがわかります.この証明に具体的な関数を用意しているので,恐らく否定モデルは構成出来ると思われます.なお,よく見かける以下の証明は間違っています.

間違った証明

$\displaystyle\exists x\in\left]a,b\right[\ \mathrm{s.t.}\ \exists g\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)\ \mathrm{s.t.}\ \forall f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ f\left(x\right)=\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$
と仮定する.$\displaystyle\forall f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ f\left(x\right)=\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$を満たす$\left]a,b\right[$の元$x$$C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)$の元$g$をとる.

$C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)$の元$f$を任意にとる.$\displaystyle f\left(x\right)=\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$より,$\left]a,b\right[\backslash\left\{x\right\}$の元$t$に対して,$f\left(t\right)$の値は積分$\displaystyle\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$に影響を与えないので,$g\left(t\right)=0$である

よって
$\displaystyle f\left(x\right)=\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t=\int_a^xf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t+\int_x^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t=\int_a^x0\mathrm{d}t+\int_x^b0\mathrm{d}t=0+0=0$
である.$f\left(x\right)\neq0$となる関数$f$はとれるので(例えば値$1$を持つ定数関数),これは矛盾.

この矛盾は
$\displaystyle\exists x\in\left]a,b\right[\ \mathrm{s.t.}\ \exists g\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)\ \mathrm{s.t.}\ \forall f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ f\left(x\right)=\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$
と仮定したことに起因する.従って背理法により,仮定の否定,つまり
$\displaystyle\forall x\in\left]a,b\right[,\ \forall g\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right),\ \exists f\in C^0\left(\left]a,b\right[;\R\right)\ \mathrm{s.t.}\ f\left(x\right)\neq\int_a^bf\left(t\right)g\left(t\right)\mathrm{d}t$
が成り立つ.$\blacksquare$

投稿日:202136

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微分積分学,数理論理学,順序数解析が好きです.ここでは主に微積や級数の話題をすると思います.記事まとめは下のリンクからどうぞ.

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