はじめに
実数列,実関数,集合列に対して,その上極限・下極限がそれぞれ次のように定義されます.
本記事では,これらを含むより一般的な上極限・下極限の定義を紹介します.
有向集合とネット
本記事の目標は,(完備束上の)ネットの上極限・下極限を定義し,その特別な場合として数列・関数・集合列の上極限・下極限を解釈することです.
そのために,まずこの節ではネットを定義します.
前順序
反射律・反対称律・推移律の3条件を満たす二項関係は半順序とよばれますが,この定義から反対称律を除いたものを前順序といいます.
(注意:前順序 (preorder) は,全順序 (total order) とは別の概念です.)
前順序集合
集合上の前順序とは,次の2条件を満たす上の二項関係のことをいう.
- 任意のに対して,が成り立つ.(反射律)
- かつを満たす任意のに対して,が成り立つ.(推移律)
集合とその上の前順序の組を前順序集合という.
明らかに半順序は前順序です.
半順序
次の条件を満たす前順序集合を,半順序集合という.
- かつを満たす任意のに対して,が成り立つ.(反対称律)
半順序集合には,たとえば次のようなものがある.
- 自然数全体の集合と大小関係の組.
- 集合の冪集合と包含関係の組.
半順序でない前順序もあります.
距離と基点が定める前順序
距離空間と1点が与えられたとき,上の前順序が次式で定まる.
前順序集合に対しても,半順序集合と同様に上界・下界が定義できます.
上界・下界
を前順序集合,をの部分集合とする.
- の上界とは,元であって,任意のに対してを満たすもののことをいう.
- の下界とは,元であって,任意のに対してを満たすもののことをいう.
上に有界・下に有界
を前順序集合,をの部分集合とする.
- が上に有界であるとは,の上界が存在することをいう.
- が下に有界であるとは,の下界が存在することをいう.
- が有界であるとは,が上に有界かつ下に有界であることをいう.
有向集合
任意の有限部分集合が上界をもつような前順序集合のことを有向集合といいます.
有向集合
有向集合とは,空でない前順序集合であって,任意の2元に対してが上に有界であるもののことをいう.
空でない全順序集合
次の条件を満たす半順序集合を全順序集合という.
全順序集合の空でない有限集合は最大元を持つため,空でない全順序集合は有向集合である.
有向集合でない前順序集合もあります.
反鎖
2点集合に次の前順序を考える.
このときの上界は存在しないため,は有向集合でない.
ネット
有向集合で添字づけられた族のことをネット(あるいは有向点族)といいます.
ネット
集合上のネットとは,ある有向集合からへの写像のことである.
このとき,各に対してと書き,ネット自身をとも書く.
また,ネットの定義域を明示してで添字づけられたネットということもある.
ネットは点列の一般化になっています.
点列
自然数全体の集合を,大小関係によって有向集合とみなす.
このとき,で添字づけられたネットを点列という.
部分ネット
を有向集合,を集合とし,をそれぞれで添字づけられた上のネットとする.
このときがの部分ネットであるとは,次の2条件を満たす写像が存在することをいう.
- 任意のに対してあるが存在して,を満たす任意のに対してが成り立つ.
- 任意のに対してが成り立つ.
を前順序集合とし,写像は次の2条件を満たすものとする.
- を満たす任意のに対して,が成り立つ.(単調増加性)
- 任意のに対してあるが存在して,が成り立つ.(共終性)
このとき「任意のに対してあるが存在して,を満たす任意のに対してが成り立つ」ことを示せ.
解答例
を任意に取ると,共終性よりを満たすが取れる.そこでを満たすを任意に取ると,単調増加性よりを得る.
点列の部分列は部分ネット
集合上の点列とその部分列について,はの部分ネットである.
(の狭義単調増加性より,自動的に共終性も成り立つため)
点列の部分ネットは部分列とは限らない
たとえば写像は次の2条件
- 単調増加性:各に対して,次式よりが成り立つ:
- 共終性:各に対して,次式よりが成り立つ.
を満たすから,点列に対してはの部分ネットとなる.
しかしよりは狭義単調増加ではないので,はの部分列ではない.
ネットの上極限・下極限
ネットの終域が半順序集合であれば,その値域の部分集合に対して上限や下限を考えることができます.
ネットの上極限や下極限を定義するにあたって,上限や下限が常に存在した方が議論が簡単なので,ここでは完備束上のネットを考えることにします.
完備束
完備束とは,半順序集合であって,の任意の部分集合が上限と下限をもつようなもののことをいう.
この記事では次の2つの例を知っていれば十分です.
- 拡大実数全体の集合は,大小関係で完備束となる.
- 集合の冪集合は,包含関係で完備束となる.(証明)
ネットの上限・下限
実数列の場合
と同様ですが,ネットの上限・下限についての性質をいくつか書いておきます.
順序の保存
を集合,を完備束とし,を写像,をの部分集合とする.
このとき,任意のに対してが成り立つならば,次式が成り立つ.
任意のに対して
が成り立つから,はの上界でありを得る.同様に,任意のに対して
が成り立つから,はの下界でありを得る.
の上限・下限 ()
を集合とし,写像を考える.
このとき,の部分集合と正の実数に対して次式が成り立つ:
の上限・下限
を集合とし,写像を考える.
このとき,の部分集合に対して次式が成り立つ:
の上限・下限(その1)
を集合とし,有界な写像を考える.
このとき,の部分集合に対して次式が成り立つ:
の上限・下限(その2)
を有向集合とし,有界な写像をで添字づけられた上のネットとみなす.
このとき,さらにが単調増加(つまりを満たす任意のに対してとが成り立つ)ならば,次式が成り立つ:
また,が単調減少(つまりを満たす任意のに対してとが成り立つ)ならば,次式が成り立つ:
を任意に取る.このときの上界を取れば,の単調増加性より
が成り立つから,まずについて上限を取れば,任意のに対して
が成り立ち,次にについて上限を取れば
を得る.他方の不等式も同様に示せる.
ネットの上極限・下極限
実数列と同様に,ネットの上極限・下極限が次のように定義されます.
ネットの上極限・下極限
を有向集合,を完備束とし,をで添字づけられた上のネットとする.
このとき,の上極限と下極限を次式で定める.
やの下には,慣習などにより様々な式が書かれることがある.後述の例も参照せよ.
下極限上極限
を有向集合,を完備束とし,をで添字づけられた上のネットとする.
このとき,次式が成り立つ:
を任意に取る.このときの上界を取れば
が成り立つから,まずの任意性より
となり,次にの任意性より
を得る.
順序の保存
を有向集合,を完備束とし,をで添字づけられた上のネットとする.
このとき,任意のに対してが成り立つならば,次式が成り立つ:
部分ネットの上極限・下極限
を有向集合,を完備束とし,をで添字づけられた上のネットとする.
このとき,の部分ネットに対して
が成り立つ.
を任意に取ると,まず部分ネットの定義から「を満たす任意のに対してが成り立つ」という性質を満たすが存在する.この取り方からが成り立つので
となる.すると,の任意性より
を得る.下極限についても同様.
を有向集合,を完備束をなす全順序集合,とし,をで添字づけられた上のネットとする.
このとき
が成り立つならば,を含む任意の開区間に対して「を満たす任意のに対してが成り立つ」という性質を満たすが存在することを示せ.
解答例
を含む開区間を任意に取る.このとき,まず
より,あるが存在してが成り立つ.また
より,あるが存在してが成り立つ.そこでの上界を取れば,を満たす任意のに対してつまりが成り立つ.
の上極限・下極限 ()
を有向集合とし,をで添字づけられた上のネットとする.
このとき,正の実数に対して次式が成り立つ:
の上極限・下極限
を有向集合とし,をで添字づけられた上のネットとする.
このとき,次式が成り立つ:
の上極限・下極限(その1)
を有向集合とし,有界な写像をで添字づけられた上のネットとみなす.
このとき,次式が成り立つ:
が有界かつ単調減少であることに注意すれば
下極限についても同様に示せる.
の上極限・下極限(その2)
を有向集合とし,有界な写像をで添字づけられた上のネットとみなす.
このとき,次式が成り立つ:
2つ目の不等号については
として,両端辺に実数を足せばよい.1つ目の不等号も同様に示せる.
の上極限・下極限(その3)
を有向集合とし,有界な写像をで添字づけられた上のネットとみなす.このとき,
であれば,次式が成り立つ:
一般に
が成り立つが,仮定より上の不等号はすべて等号となる.下極限についても同様に示せる.
例1:実数列の上極限・下極限
実数列を上のネットとみなして上極限・下極限を考えれば,よく知られた定義式
が得られます.
例2:関数の上極限・下極限
実数列だけではなく,関数の上極限・下極限を考えることもあります.
まず次の定義を思い出しておきましょう.
集積点
距離空間との部分集合および点について,がの集積点であるとは,任意の正実数に対してあるが存在してが成り立つことをいう.
さて,距離空間の部分集合上で定義された関数との集積点について,まずを前順序
によって有向集合とみなします.するとは(定義域の制限と終域の拡張により)で添字づけられた上のネットとみなせるので,その上極限・下極限を考えれば
となります.
距離空間と,の部分集合およびの集積点について,先述の通り上の前順序を
で定める.このとき,が有向集合になることを示せ.
(注意:例:距離と基点が定める前順序 とは違い,有限部分集合の上界としてを取ることはできない)
解答例
の2元を任意に取ると,である.するとがの集積点であることからを満たすが存在し,の取り方からかつが成り立つ.すなわち,はの上界である.
さらにが集積点であることから,と置き換えた次の表示も得られます.
上極限の方だけ証明する.正実数に対して
とおき,を示せばよい.まずより
が成り立つ.また正実数を任意に取ると,がの集積点であることからを満たすが取れる.すると
となるから,の任意性より
も示された.
を距離空間とし,をの部分集合,をの集積点とする.
また,上の点列はに収束する,つまり
を満たすものとする.このとき,次のことを示せ.
- 任意のに対してあるが存在して,を満たす任意のに対してが成り立つ.
- 完備束と写像に対して,次の不等式が成り立つ:
-
実数列の極限を上極限で定義する
で示した通り,任意のに対してあるが存在して,を満たす任意のに対してが成り立つ.この性質を,任意に取ったに対してとおいて使えばよい.
- (1)よりはの部分ネットである.
例3:集合列の上極限・下極限
ここでは,集合の冪集合を包含関係
によって半順序集合とみなします.このとき,は完備束です.
上限・下限の存在
を集合とし,冪集合を包含関係によって半順序集合とみなす.
このとき,の任意の部分集合は上限と下限をもち,
が成り立つ.
下記2点より,が成り立つ.
がの上界であること
を任意に取る.このとき,任意のに対してが成り立つから,が成り立つ.よってはの上界である.
がの上界の最小元であること
の上界とを任意に取る.このとき,を満たすが存在するから,よりとなる.よってだから,はの上界の最小元である.
についても同様に示せる.
集合の部分集合族は,添字集合が有向集合であれば上のネットなので,上極限と下極限を定義することができます.
特にの場合,これはよく知られた「集合列の上極限・下極限」の定義と一致します.
を有向集合,を集合とし,を上のネットとする.
このとき,次式が成り立つ.
例4:リーマン和
を有界閉区間とするとき,
なる有限集合をの分割といい,さらにを満たす有限列をの代表点というのでした.の分割とその代表点の組全体の集合を
によって有向集合とみなせば,有界関数のによるリーマン和
は(を固定したとき)で添字づけられた上のネットとみなせるので,その上極限・下極限を考えることができます.
解答例
の任意の2元に対して,次のように定めるがの上界となる.
- .
- は(どのように取っても良いが,たとえば)の各小区間から左端点を取ったものとする.
この例の状況で,各に対して次式が成り立つ.(右辺は代表点の取り方によらない)
上限の方だけ示す.右辺が
の上限であることが次の2点により示される.
の上界であること
を満たすを任意に取り,をの各小区間の分割・代表点とみなしたものをと書くことにする.このとき,リーマン和の簡単な評価から次の不等式を得る:
の上界の最小元であること
を任意に取る.このときの各小区間において
を満たすを1つずつ取ることによっての代表点を構成でき,この取り方からが成り立つ.
上の命題から,リーマン和の上極限・下極限は次のように表せます.
リーマン和の上極限・下極限
この例の状況で,次式が成り立つ.
上極限をの上ダルブー積分といい,下極限をの下ダルブー積分という.
有界閉区間上の有界関数に対して,その上ダルブー積分と下ダルブー積分は,実数としてそれぞれ必ず存在する.
有界閉区間上の有界関数と実数に対して,次のことを示せ.
- の分割とその代表点に対して,次の等式が成り立つ.
- 次の不等式が成り立つ.
- のとき,次の等式が成り立つ.
- のとき,次の等式が成り立つ.
誤りがあればご指摘いただけると幸いです.
ここまでお読みいただきありがとうございました.