集合の極限

目次

数列の極限

実数列$\{a_n\}$が、ある実数$\alpha$に収束する、とは次の意味であった。

$$ \forall \epsilon > 0; \exists N \in \mathbb{N} \text{ s.t. } n > N \implies |a_n - \alpha | < \epsilon $$

これから集合列に対する極限を考えていくが、この定義を直接応用するのは難しい。 集合と集合の差が$\epsilon$未満とはどういう意味なのかわからないからである。

集合の単調増大列 / 単調減少列の極限

とはいえ、任意の集合列の極限の定義は置いておくにしても、次のような列についての極限を考えるのは比較的容易いだろう。

単調増大列

集合列$\{A_n\}$は任意の$n$に対して、$A_n \subset A_{n+1}$を充たすとする。すなわち、 $$ A_1 \subset A_2 \subset A_3 \subset A_4 \subset … $$ このとき、集合列$\{A_n\}$は単調増大列であるという。

このとき、

$$ \lim_{n \to \infty}A_n = \bigcup_{n = 1}^{\infty}A_n $$

と定める。

右辺にも$\infty$が出てきていて、どういう定義なのかわかりづらいが、右辺の意味は「少なくとも一つの$n$があって、$A_n$の元となるような要素をすべて集めたもの」であり、実は極限的な意味は何もない。

きちんと記号でかけば、

$$ \bigcup_{n = 1}^{\infty}A_n = \{x|\exists n \in \mathbb{N}; x \in A_n\} $$

ということであり、任意の集合列に対して定義できるものである。

単調減少列

集合列$\{A_n\}$は任意の$n$に対して、$A_n \supset A_{n+1}$を充たすとする。すなわち、 $$ A_1 \supset A_2 \supset A_3 \supset A_4 \supset … $$ このとき、集合列$\{A_n\}$は単調減少列であるという。

このとき、

$$ \lim_{n \to \infty}A_n = \bigcap_{n = 1}^{\infty}A_n $$

と定める。

右辺の意味は「すべての$A_n$の元となるような要素をすべて集めたもの」である。

きちんと記号でかけば、

$$ \bigcap_{n = 1}^{\infty}A_n = \{x|\forall n \in \mathbb{N}; x \in A_n\} $$

ということであり、任意の集合列に対して定義できるものである。

数列の単調列

ここで証明はしないが、次の定理がある。

  1. 実数列の単調増大列は、有界ならその上限に収束し、非有界なら$\infty$に発散する。
  2. 実数列の単調減少列は、有界ならその下限に収束し、非有界なら$-\infty$に発散する。

この定理と、上で定義した集合の単調列の極限の定義を比較すると、$\bigcup$は上限のようなもの、$\bigcap$は下限のようなものであると類推できる。

単調列以外の集合列の極限を定義するにあたっては、こういった概念を敷衍すればよいわけである。

数列の上極限・下極限

そこで、次のような概念を思い出す。

数列$\{a_n\}$に対して、その上極限を次で定める。

$$ \limsup_{n \to \infty} a_n = \inf_{n \in \mathbb{N}} \sup_{k \ge n} a_k $$

下極限を次で定める。

$$ \liminf_{n \to \infty} a_n = \sup_{n \in \mathbb{N}} \inf_{k \ge n} a_k $$

上極限・下極限は、任意の数列に対して定義できるという、強い性質を持つ。

また、次の定理がある。

実数列の上極限と下極限が一致するなら、実数列は極限($\infty$、$-\infty$を含む)を持つ。極限の値は上極限(=下極限)と一致する。逆に、実数列が極限を持つならば、上極限と下極限は極限に一致する。

この定理を利用すると、単調でない集合列にも極限が定義できるだろう。

上極限・下極限は、上限・下限さえ知っていれば定義でき、先の考察で $\bigcup$が上限のようなもの、$\bigcap$が下限のようなものであるということは分かっているからである。

集合列の上極限・下極限・極限

集合列$\{A_n\}$に対して、その上極限、下極限を次のように定める。

$$ \limsup_{n \to \infty} A_n = \bigcap_{n = 1}^{\infty} \bigcup_{k = n}^{\infty} A_k $$

$$ \liminf_{n \to \infty} A_n = \bigcup_{n = 1}^{\infty} \bigcap_{k = n}^{\infty} A_k $$

もし、

$$ \limsup_{n \to \infty} A_n = \liminf_{n \to \infty} A_n $$

が成り立つなら、これを集合列$\{A_n\}$の極限といい、

$$ \lim_{n \to \infty} A_n $$

で表す。

集合列の極限が存在しない例

上で集合列の極限は定義されたが、イメージがつかみにくいかもしれないので例を挙げる。

実はこの例では、極限が存在しないことが示されてしまうのだが、エッジケースであり、イメージを掴むのには十分であると思う。

集合列$\{X_n\}$を次で定める。

$$ X_n = \{x \in \mathbb{R} | -1 - \frac{(-1)^n}{n} \le x \le 1 + \frac{(-1)^n}{n}\} $$

最初の4項を示すと、以下の通りである。

$$ X_1 = [0, 0] $$

$$ X_2 = [-\frac{3}{2}, \frac{3}{2}] $$

$$ X_3 = [-\frac{2}{3}, \frac{2}{3}] $$

$$ X_4 = [-\frac{5}{4}, \frac{5}{4}] $$

グラフにすると、以下の通りである。

グラフからは、$\{X_n\}$は単調でないが、ゆっくりと$[-1, 1]$に収束していくように見える。

しかし、定義に従って正確に議論すると、実は違うことがわかる。

それを以下で示そう。

$n$が偶数のとき、$\bigcup_{k = n}^{\infty} X_k = X_n$となる。

これは、$\{X_n\}$の偶数番目だけを取った部分列が単調減少列であり、$X_{2n} \supset [-1, 1] \supset X_{2m+1}$が任意の$n, m$に対して成立することからわかる。

同様の考察で、

$n$が奇数のとき、 $\bigcup_{k = n}^{\infty} X_k = X_{n+1}$

$n$が偶数のとき、$\bigcap_{k = n}^{\infty} X_k = X_{n+1}$

$n$が奇数のとき、$\bigcap_{k = n}^{\infty} X_k = X_{n}$

がわかる。したがって、

$$ \limsup_{n \to \infty} X_n = \bigcap_{n = 1}^{\infty} X_{2n} = [-1, 1] $$

$$ \liminf_{n \to \infty} X_n = \bigcup_{n = 1}^{\infty} X_{2n+1} = (-1, 1) $$

ゆえに、

$$ \limsup_{n \to \infty} X_n \neq \liminf_{n \to \infty} X_n $$

であり、極限は存在しないことがわかる。

大変惜しい。

集合列の極限が存在する例

上の例を少し変形して、

$$ X_n = \{x \in \mathbb{R} | -1 - \frac{(-1)^n}{n} \le x \le 1 + \frac{(-1)^n}{n}\} - \{-1, 1\} $$

などとすると、

$$ \limsup_{n \to \infty} X_n = \liminf_{n \to \infty} X_n = (-1, 1) $$

となり、極限が定義できるようになる。

ただ、これは些か不便であり、位相を仮定せず一般の集合列に対して、極限を定義した点に問題があると思う。

たとえば、位相空間の部分集合列で、上極限と下極限が集積点の違いを除いて一致するなら、その間の何かや、閉包、開核を以て「極限のようなもの」を定義しても良いとは思う。

ただし、多くの文献で、集合列の極限は測度論の文脈で語られているため、こういった点に言及しているものはなく、一般的なアイデアではないかもしれない。

位相空間については、部分集合列の極限を考えるよりも、点列の極限を考えることができれば、それで十分という場合が多いのかもしれない。

集合列の上極限・下極限の言い換え

まだイメージが掴みづらい読者のために、より簡潔な言い換えを紹介しておく。

「$x$が集合列$\{A_n\}$の上極限に含まれる」とは、$|\{A_n | x \in A_n\}| = \aleph_0$の意味である。

「$x$が集合列$\{A_n\}$の下極限に含まれる」とは、$|\{A_n | x \notin A_n\}| < \aleph_0$の意味である。

この言い換えから明らかなように、下極限は必ず上極限の部分集合になる。

集合列に極限が存在するのは、「$x$を含む項が無限に存在するなら、$x$を含まないような項は高々有限個になる」という条件が成り立つ場合である。

またいいかえれば、「任意の$x$に対して、$x$を含む項が無限個ある、または、$x$を含まない項が無限個ある、のいずれか一方のみが成り立つ」ような場合である。

一般的な集合列の極限の定義が、単調列の場合の定義とcompatibleであることの証明

まず集合列が単調列の場合に極限を定義し、次に一般的な場合を考えた。

これらの定義が一致することの証明をここで与える。

集合列$\{A_n\}$は単調増大列とする。

このとき、任意の$n$について

$$ \bigcup_{k = n}^{\infty} A_k = \bigcup_{k = 1}^{\infty} A_k $$

がわかる。実際、

$$ \bigcup_{k = 1}^{\infty} A_k = (\bigcup_{k = 1}^{n} A_k) \cup (\bigcup_{k = n}^{\infty} A_k) = A_n \cup (\bigcup_{k = n}^{\infty} A_k) = \bigcup_{k = n}^{\infty} A_k $$

したがって、

$$ \limsup_{n \to \infty} A_n = \bigcap_{n = 1}^{\infty} \bigcup_{k = n}^{\infty} A_k = \bigcup_{k=1}^{\infty}A_k $$

また、単調増大性から、

$$ \bigcap_{k = n}^{\infty} A_k = A_n $$

であり、ゆえに

$$ \liminf_{n \to \infty} A_n = \bigcup_{n = 1}^{\infty} \bigcap_{k = n}^{\infty} A_k = \bigcup_{n = 1}^{\infty} A_n $$

がわかる。

よって、上極限と下極限が一致するため、一般的な定義においても極限が存在し、それは 単調増大列に対して定義した極限$\bigcup_{n = 1}^{\infty} A_n$と一致する。

単調減少列に対する極限も、同様の議論で一致することがわかる。