数列の有界性と単調性は収束性と結びついている.この記事では,その関係を数学的に証明する.
有界単調数列の収束定理の主張
この記事での「単調」は,「広義単調」を指すものとして考えて問題ない.
$\{ a_n\} _{n=1}^{\infty}$が上に有界な単調増加数列であるとき,次の等式が成り立つ.
\[ \lim _{n\to \infty}a_n=\sup \{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\} \]
$\alpha =\sup \{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\}$とおくと,次の図のようになる.

数列$\{ a_n\} _{n=1}^{\infty}$は単調増加であるから,$n$が大きくなるにつれて$a_n$の値も大きくなる.しかし,上に有界であるから,$a_n$が上限$\alpha$を上回ることはない.
このイメージは,有界単調数列の収束定理の証明に結びつけることができる.
さて,上図を見ると想像がつくかもしれないが,下に有界な単調減少数列についても,同様の命題が成り立つ.
$\{ a_n\} _{n=1}^{\infty}$が下に有界な単調減少数列であるとき,次の等式が成り立つ.
\[ \lim _{n\to \infty}a_n=\inf \{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\} \]
有界単調数列の収束定理の証明
有界単調数列の収束定理の証明には,$\mathbb{R}$の性質の1つとして認めた,連続の公理を用いる.
任意の空でない上に有界な集合$A\subset \mathbb{R}$に対し,$A$の上限が存在する.
実は,下に有界な場合も同様に次の命題が成り立つ.
任意の空でない下に有界な集合$A\subset \mathbb{R}$に対し,$A$の下限が存在する.
$A$の下界全体の集合を$L(A)=\{ x\in \mathbb{R}\mid \forall a\in A,x\le a\}$とし,$B=\{ -a\mid a\in A\}$とおく.$A$は空でないから,$B$も空でない.
このとき,任意の$b\in B$に対し,$-b\in A$であり,任意の$\alpha \in L(A)$に対し,$\alpha \le -b$が成り立つから,$-\alpha \ge b$となる.
よって,$-\alpha$は$B$の上界である.
逆に,$\beta$が$B$の上界であるとき,同様に$-\beta$は$A$の下界となるから,$B$の上界全体の集合を$U(B)$とおくと
\[ U(B)=\{ -x\mid x\in L(A)\} \]
したがって,$B$は空でない上に有界な$\mathbb{R}$の部分集合であるから,連続の公理より上限$\sup B$が存在する.
上限の定義より,任意の$\beta \in U(B)$に対して
\[ \sup B\le \beta \]
が成り立つから
\[ -\sup B\ge -\beta \]
$-\beta \in L(A)$であるから,$-\sup B\in L(A)$は$L(A)$の最大値,すなわち$A$の下限である.$\blacksquare$
連続の公理及び上限の定義や性質,数列の極限については,別記事を参照するとよい.


集合$\{ a_n\mid n\in \mathbb{R}\}$は上に有界な$\mathbb{R}$の空でない部分集合であるから,連続の公理より上限$\alpha =\sup \{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\}$が存在する.
上限の定義より,任意の$n\in \mathbb{N}$に対して
\[ a_n\le \alpha \quad すなわち\quad \alpha -a_n\ge 0\]
また,任意の$\varepsilon >0$に対し,ある$N\in \mathbb{N}$が存在して
\[ a_N>\alpha -\varepsilon \quad すなわち\quad \alpha -a_N<\varepsilon \]
が成り立つ.
よって,$n\ge N$なる任意の$n\in \mathbb{N}$に対し,単調増加性より$a_N\le a_n$が成り立つから
\[ |a_n-\alpha |=\alpha -a_n\le \alpha -a_N<\varepsilon \]
したがって,$\displaystyle \lim_{n\to \infty}a_n=\alpha \blacksquare$
補題1を用いることで,定理2も同様に証明できる.
集合$\{ a_n\mid n\in \mathbb{R}\}$は上に有界な$\mathbb{R}$の空でない部分集合であるから,補題1より下限$\alpha =\inf \{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\}$が存在する.
下限の定義より,任意の$n\in \mathbb{N}$に対して
\[ a_n\ge \alpha \quad すなわち\quad a_n-\alpha \ge 0\]
また,任意の$\varepsilon >0$に対し,ある$N\in \mathbb{N}$が存在して
\[ a_N<\alpha +\varepsilon \quad すなわち\quad a_N-\alpha <\varepsilon \]
が成り立つ.
よって,$n\ge N$なる任意の$n\in \mathbb{N}$に対し,単調減少性より$a_N\ge a_n$が成り立つから
\[ |a_n-\alpha |=a_n-\alpha \le a_N-\alpha <\varepsilon \]
したがって,$\displaystyle \lim_{n\to \infty}a_n=\alpha \blacksquare$
有界単調数列の収束定理の例
$\dfrac{1}{n}$の極限
まずは,有界単調数列の収束定理が成り立っていることを実例で確認してみよう.
数列$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$を
\[ a_n=\frac{1}{n}\qquad (n\in \mathbb{N})\]
により定める.
まず,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$が単調減少数列であることを示す.
任意の$n\in \mathbb{N}$に対し
\[ a_n=\frac{1}{n}>\frac{1}{n+1}=a_{n+1}\]
であるから示された.
次に,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$が下に有界であることを示す.
例えば,$0$は$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$の下界である.
実際,任意の$n\in \mathbb{N}$に対して
\[ a_n=\frac{1}{n}\ge 0\]
となる.
よって,有界単調数列の収束定理(定理2)より,数列$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$はその下限に収束するはずである(下限の存在は連続の公理(補題1)により保証される).
そこで,$\{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\}$の下限を求めてみよう.
以下,$\{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\}$の下限が$0$であることを示す.
$0$が$\{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\}$の下界であることは上で示した.
任意の$\varepsilon >0$に対し,アルキメデスの原理1より,ある$N\in \mathbb{N}$が存在し,$N\varepsilon >1$となる.このとき
\[ a_N=\frac{1}{N}<\varepsilon =0+\varepsilon \]
となるから示された.
つまり,$\displaystyle \lim_{n\to \infty}a_n=0$となるはずである.
実際,任意の$\varepsilon >0$に対し,アルキメデスの原理より,ある$N\in \mathbb{N}$が存在し,$N\varepsilon >1$となる.このとき,$n\ge N$なる任意の$n\in \mathbb{N}$に対して
\[ |a_n-0|=\frac{1}{n}\le \frac{1}{N}<\varepsilon \]
となるから,従う.



$\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2+\dots }}}$の値
数列の極限を求めるとき,具体的な極限値が分かっていたり,予想がついていたりするならば,$\varepsilon$-$N$論法を用いて証明するのが有効であるが,単に極限が収束すること(極限値はよく分からないが何かの値には収束するということ)を示すのには,有界単調数列の収束定理が有効になってくることが多い.
数列$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$を
\[ a_1=\sqrt{2},a_{n+1}=\sqrt{2+a_n}\qquad (n\in \mathbb{N})\]
により定める.
まず,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$が(狭義)単調増加であること,すなわち任意の$n\in \mathbb{N}$に対して$a_n<a_{n+1}$が成り立つことを$n$に関する数学的帰納法で示す2.
$n=1$のとき
\[ a_1=\sqrt{2}<\sqrt{2+\sqrt{2}}=a_2\]
であるから成り立つ.
$n=k$で$a_k<a_{k+1}$が成り立つと仮定すると
\[ a_{k+1}=\sqrt{2+a_k}<\sqrt{2+a_{k+1}}=a_{k+2}\]
より$n=k+1$のときも成り立つ.
以上より,$\{a_n\}_{n=1}^{\infty}$の単調増加性が示された.
次に,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$が上に有界であることを示す.
例えば,$2$は$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$の上界である.任意の$n\in \mathbb{N}$に対し,$a_n<2$であることを$n$に関する数学的帰納法で示す.
$n=1$のとき
\[ a_1=\sqrt{2}<2\]
であるから成り立つ.
$n=k$で$a_k<2$が成り立つと仮定すると
\[ a_{k+1}=\sqrt{2+a_k}<\sqrt{2+2}=2\]
より$n=k+1$のときも成り立つ.
以上より,$2$は$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$の上界である.
したがって,有界単調数列の収束定理より,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$は収束し,その極限値を$\alpha \in \mathbb{R}$とおくと
\[ \alpha ^2=\lim_{n\to \infty}a_{n+1}^2=\lim_{n\to \infty}(2+a_n)=2+\alpha \]
よって
\[ \alpha ^2-\alpha -2=0\quad すなわち\quad (\alpha +1)(\alpha -2)=0\]
ゆえに$\alpha =-1,2$であるが,例えば
\[ a_1=\sqrt{2}>-1\]
より$-1$は$\{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\}$の上限でないため,$\alpha =2$である.
以上より$\displaystyle \lim_{n\to \infty}a_n=2$である.
上の議論により,次の等式が得られる.
\[ \sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2+\dots }}}=2\]
数列$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$を
\[ a_1=\sqrt{2},a_{n+1}=\sqrt{2a_n}\qquad (n\in \mathbb{N})\]
により定めるとき,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$は収束するか.収束するならばその極限値を求めよ.
まず,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$が(狭義)単調増加であること,すなわち任意の$n\in \mathbb{N}$に対して$a_n<a_{n+1}$が成り立つことを$n$に関する数学的帰納法で示す2.
$n=1$のとき
\[ a_1=\sqrt{2}<\sqrt{2\sqrt{2}}=a_2\]
であるから成り立つ.
$n=k$で$a_k<a_{k+1}$が成り立つと仮定すると
\[ a_{k+1}=\sqrt{2a_k}<\sqrt{2a_{k+1}}=a_{k+2}\]
より$n=k+1$のときも成り立つ.
以上より,$\{a_n\}_{n=1}^{\infty}$の単調増加性が示された.
次に,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$が上に有界であることを示す.
例えば,$2$は$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$の上界である.任意の$n\in \mathbb{N}$に対し,$a_n<2$であることを$n$に関する数学的帰納法で示す.
$n=1$のとき
\[ a_1=\sqrt{2}<2\]
であるから成り立つ.
$n=k$で$a_k<2$が成り立つと仮定すると
\[ a_{k+1}=\sqrt{2a_k}<\sqrt{2\times 2}=2\]
より$n=k+1$のときも成り立つ.
以上より,$2$は$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$の上界である.
したがって,有界単調数列の収束定理より,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$は収束し,その極限値を$\alpha \in \mathbb{R}$とおくと
\[ \alpha ^2=\lim_{n\to \infty}a_{n+1}^2=\lim_{n\to \infty}2a_n=2\alpha \]
よって
\[ \alpha ^2-2\alpha =0\quad すなわち\quad \alpha (\alpha -2)=0\]
ゆえに$\alpha =0,2$であるが,例えば
\[ a_1=\sqrt{2}>0\]
より$0$は$\{ a_n\mid n\in \mathbb{N}\}$の上限でないため,$\alpha =2$である.
以上より$\displaystyle \lim_{n\to \infty}a_n=2$である.
上の議論により,次の等式が得られる.
\[ \sqrt{2\sqrt{2\sqrt{2\dots }}}=2\]
$\left( 1+\dfrac{1}{n}\right) ^n$の極限
最後に,高校数学では曖昧にされていた,$\left( 1+\dfrac{1}{n}\right) ^n$の極限について考えてみよう.
この極限を考えるときの最大のポイントは,「単調増加性をどう示すか」である.
数列$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$を
\[ a_n=\left( 1+\frac{1}{n}\right) ^n\qquad (n\in \mathbb{N})\]
により定める.
まず,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$が(狭義)単調増加であること,すなわち任意の$n\in \mathbb{N}$に対して$a_n<a_{n+1}$が成り立つことを示す.
相加相乗平均の不等式4より
\[ a_n=\left( 1+\frac{1}{n}\right) ^n=\left( \frac{n+1}{n}\right) ^n\cdot 1\le \left( \frac{\frac{n+1}{n}\cdot n+1}{n+1}\right) ^{n+1}=\left( 1+\frac{1}{n+1}\right) ^{n+1}=a_{n+1}\]
よって,示された.
単調増加であることの証明は,様々なものが知られているが,ここでは筆者が知っている方法の中で最も美しいものを紹介した5.二項定理を用いて不等式評価をする方法が一般的である.
次に,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$が上に有界であることを示す.
例えば,$3$は$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$の上界である.実際
\[ \begin{aligned}\left( 1+\frac{1}{n}\right) ^n&=\sum_{k=0}^n\binom{n}{k}\frac{1}{n^k}=\sum_{k=0}^n\frac{n!}{k!(n-k)!n^k}\\ &=\sum_{k=0}^n\frac{1}{k!}\cdot \frac{n}{n}\cdot \frac{n-1}{n}\dots \frac{n-k+1}{n}\\ &=\sum_{k=0}^n\frac{1}{k!}\left( 1-\frac{1}{n}\right) \left( 1-\frac{2}{n}\right) \dots \left( 1-\frac{k-1}{n}\right) \\ &<\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{k!}=\frac{1}{0!}+\frac{1}{1!}+\frac{1}{2!}+\frac{1}{3!}+\frac{1}{4!}+\dots \\ &=1+1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2\cdot 3}+\frac{1}{2\cdot 3\cdot 4}+\dots \\ &<1+1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2\cdot 2}+\frac{1}{2\cdot 2\cdot 2}+\dots \\ &=1+\sum_{k=0}^{\infty}\frac{1}{2^k}=1+\frac{1}{1-\frac{1}{2}}=3\end{aligned}\]
となる.
したがって,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$は上に有界な単調増加数列であるから,有界単調数列の収束定理より,$\{ a_n\}_{n=1}^{\infty}$は収束する.
高校数学では,この極限が存在することを認めており(高校数学の範囲で証明できないため仕方ないが),その極限値を$e$で表していた.これがネイピア数(Napier’s constant)(またはネーピア数,ネピア数,ネピアの定数,自然対数の底)(またはオイラー数6(Euler’s number))の定義である.現在では,ネイピア数が無理数であること,さらには超越数であることが分かっている.詳しくは別の記事を参照するとよい.
関連内容
実数の連続性
$\mathbb{R}$が満たす17の性質の中で,連続の公理がある.
任意の空でない上に有界な集合$A\subset \mathbb{R}$に対し,$A$の上限が存在する.
連続の公理については,別記事で詳しく解説している.
さて,この連続の公理と同値な命題はたくさん知られており,特に有界単調数列の収束定理は連続の公理と同値である.
次の12個の命題は互いに同値である.
- 連続の公理(上限性質)
- 有界単調数列の収束定理
- アルキメデスの原理・区間縮小法
- ボルツァーノ・ワイエルシュトラスの定理
- アルキメデスの定理・コーシー列の収束性
- デデキントの公理
- 中間値の定理
- 最大値の定理
- ロルの定理
- (ラグランジュの)平均値の定理
- コーシーの平均値の定理
- ハイネ・ボレルの被覆定理
証明は別記事で詳しく解説している.
参考文献
追記
- 栗田哲也, 福田邦彦, 坪田三千雄, 『微積分/基礎の極意』, 東京出版, 2000年.
- アルキメデスの原理は有界単調数列の収束定理により示すことができる. ↩︎
- 広義単調増加であることを示せば十分であるが,より強い狭義単調増加であることを示すことにした. ↩︎
- 広義単調増加であることを示せば十分であるが,より強い狭義単調増加であることを示すことにした. ↩︎
- 相加相乗平均の不等式は,正の実数$a_1,a_2,\dots a_n(n\in \mathbb{N})$に対し,次の不等式が成り立つというものであった.
\[ \frac{a_1+a_2+\dots +a_n}{n}\ge \sqrt[n]{a_1a_2\dots a_n}\] ↩︎ - この証明は以下の書籍に掲載されている.
↩︎ - 欧米ではEuler’s numberと呼ばれることが多い.記号$e$は,数学者(天文学者)レオンハルト・オイラー(Leonhard Euler, 1707~1783年)の頭文字に由来するため,自然な呼び方とも言える. ↩︎