■解析入門■
■2.a 連続性と微分可能性■
連続であることと,微分可能であることの差は,具体例を見るのがわかりやすい.
関数 f0(x)=sin(1/x), f1(x)=x sin(1/x), f2(x)=x^2 sin(1/x) を考える.ただし,x=0 のときこれらの関数の値は 0 と定義する.このときこれらの関数の x=0 における連続性,微分可能性を調べる.
f0(x) は x=0 において連続でも微分可能でもない.f1(x) は x=0 において連続であるが微分可能ではない.f2(x) は x=0 において連続でかつ微分可能である.
Mathematica プログラム例 ( 原点の近くでのグラフの様子 )
- f0[x_]:=Sin[1/x]
- f1[x_]:=x Sin[1/x]
- f2[x_]:=x^2 Sin[1/x]
- Plot[f0[x],{x,-1,1}, AspectRatio -> Automatic]
- Plot[f0[x],{x,-0.1,0.1}, AspectRatio -> Automatic]
- Plot[f1[x],{x,-0.1,0.1}, AspectRatio -> Automatic]
- Plot[f1[x],{x,-0.01,0.01}, AspectRatio -> Automatic]
- Plot[{x^2,-x^2,f2[x]},{x,-1,1}, AspectRatio -> Automatic, PlotRange -> All]
- Plot[{x^2,-x^2,f2[x]},{x,-0.5,0.5}, AspectRatio -> Automatic, PlotRange -> All, Axes -> False]
- Plot[f2[x],{x,-0.1,0.1}, AspectRatio -> Automatic, PlotRange -> All, Axes -> False]
- Plot[f2[x],{x,-0.01,0.01}, AspectRatio -> Automatic, PlotRange -> All, Axes -> False]
計算結果
微分可能ならば連続である.しかし,この逆は成り立たない.たとえば,|x| は x=0 で連続であるが微分可能でない.また,いたるところ連続でありしかも微分不可能である関数が存在する.
ワイヤシュトラス (Weierstrass) の例 :a を奇数とし,b を正の実数で 1 より小,ab は 1+(3/2)pi より大とする.このとき,関数列 b^n cos(a^n pi x) の n=0,1,2,... の和は一様収束する.したがって連続である.しかしいたるところ微分可能でないことが示される.
Mathematica プログラム例(a=13, b=1/2 とし,和は n=0 から 10 までとする.これを x=1/2 の付近で拡大したもの.)
- f[x_]:= Sum[Cos[(13)^j Pi x]/(2^j), {j,0,10}]
- Plot[f[x], {x,0,1}]
- Plot[f[x], {x,0.4,0.6}]
- Plot[f[x], {x,0.49,0.51}]
計算結果