閉区間で連続な関数の最大値・最小値の定理

先ず、閉区間で連続な関数の最大値と最小値の定理を高校生が理解できないようにする高校数学で、学生に間違いを教えている間違いを正す必要があります。

（微分積分を使いものにする言葉について）
　数学者の小平邦彦「[軽装版]解析入門Ⅰ」では、微分積分を使いものになる道具にするため、数学の定理で連続関数を使うときに必ず使う形に整合させて連続関数を定義しています。すなわち、連続関数という言葉を、連結区間で１つながりに連続する関数と定義しています。
　また、使いものにならなくなっている「不連続点」と言われている言葉を使わず、微分積分の概念の理解のために役立つ言葉で、連続点以外の点をあらわす「連続で無い点」という言葉を使っています。そのため、当ブログでも、小平邦彦「[軽装版]解析入門Ⅰ」に従って、「不連続点」という言葉は使わず、「連続で無い点」という言葉を使います。
（不連続点の当初の定義も、連続で無い点の定義と同じでした。藤原松三郎の「微分積分学　第１巻」によると、「ｆ（ｘ）がｘ＝ξで連続でない場合に、ｘ＝ξをｆ（ｘ）の不連続点という。」と定義されていました。）

（注意）連続関数の正しい定義は、
（１）第１の定義の連続関数：
（連結した）開放された区間（ａ＜ｘ＜ｂ）で連続な関数ｆ（ｘ）。その開放区間内のどの点でも完全に連続な関数。
すなわち、両端が開放された連結区間で１つながりに連続する関数。
（２）第２の定義の連続関数：
（連結した）閉区間（ ａ≦ｘ≦ｂ）で連続な関数。ａ＜ｘ＜ｂとなるどの点でもｆ（ｘ）が完全に連続。ｘ＝ａとｘ＝ｂとの端点では、片側連続である関数ｆ（ｘ）。
すなわち、端点を持つ連結区間で１つながりに連続する関数。
との２通りの定義があります。

上図の関数ｆ（ｘ）は、X＝０とX=2で不連続ですが、
その０≦ｘ≦２の区間内の部分の関数ｆ（ｘ）は、
閉区間０≦ｘ≦２で定義された連続関数です（第２の定義の連続関数）。

ーー【区間の定義】ーー
「区間」という数学用語は、変数ｘの数直線上の１つの範囲内の、実数のすき間がない１かたまりの数の集合をあらわす数学用語である。
《神奈川大学》【定義 14.2.4.】
　a, b を実数とする. a 以上かつ b 以下の実数をすべて集めた集合を [a, b] と書き, これを閉区 間と呼ぶ.
　a より大きくかつ b 未満の実数をすべて集めた集合を (a, b) と書き, これを開区間と呼ぶ.
----定義おわり----

ａ≦ｘ≦ｂを満足するｘの区間という表現は、ａ≦ｘ≦ｂの範囲内の全ての実数ｘという意味です。
－∞＜ｘ＜∞という区間もあります。
区間はｘの値の範囲を限定するためのａ≦ｘ≦ｂという式とは意味が異なることに注意する必要があります。
　「区間」という用語は、特に重要な関数である連続関数の連続性を定義するために必要な、連続関数f(x)の変数xの集合体がいつも持っていなければならない連続性という重要な性質が「区間」という概念を用いてあらわされていると思います。
　すなわち、変数ｘの「区間」の性質で大切なのは、
「区間」のなかに変数ｘの値が隙間なく存在すること。
つまり所定範囲内での隙間が無い全ての実数の集合という概念が「区間」という用語で定義されています。

（Ａ）「０≦ｘ≦２の区間の変数ｘで定義された関数f(x)がその区間の（ｘの数直線上の）各点で連続であるとき，f(x)は連続関数である」という文では、
ｆ（ｘ）は、０≦ｘ≦２の区間で１つながりに連続した関数ｆ（ｘ）として定義されます。

一方で、区間の概念を用いない定義：
（Ｂ）高校数学での、誤った連続関数の定義
「変数ｘの０≦ｘ≦２の範囲内の値で関数f(x)が定義されていて、その関数ｆ(x)が定義域の各点で連続であるとき，f(x)は連続関数である」という高校数学の連続関数の定義では、ｆ(x)は、例えば、
０＜ｘ＜１で f(x)=0, この定義域内の各点で連続。
１＜ｘ＜２で f(x)=1, この定義域内の各点で連続。
結局、０≦ｘ≦２の範囲内の全ての定義域の各点で連続という関数も連続関数ｆ(x)にされます。しかし、そのように、すき間をはさんだ２つの区間を合わせた複合区間を定義域とする関数は平均値の定理を満足しない。それは連続関数ではなく、その定義は正しい連続関数の定義ではない。

　この例の様に、「区間」という用語は変数ｘの数直線上の、すき間がない１かたまりの実数の集合をあらわす。変数ｘの数直線上の「区間」では、その変数ｘの範囲内に実数のすき間があってはいけない。
　区間ａ≦ｘ≦ｂが命題の中に記載されている場合は、その範囲内の全ての実数ｘについて命題を検討する必要があります。被積分関数ｆ(x)が定義されていない変数ｘの（数直線上の）点があっても、その（ｘの数直線上の）点も、その命題が検討されるべき（ｘの数直線上の）点の１つです。

【連続関数の誤った定義が問題を起こしている】
　高校の教科書では「定義域」という言葉を使って、
「関数 f(x) が、定義域のすべての x の値で連続であるとき、 f(x) は連続関数である、という。」 
と書かれていると思います。
（注）上の教科書の定義は誤っています。正しくは、「区間で定義された関数f(x)が区間のすべてのｘの値で連続であるとき、f(x)は連続関数である、という。」と書くべきです。

　中学生のときから教わって来た「定義域」という言葉の定義が、高校以上の数学では、所定の区間を指すだけではない、区間内の数の集合の様々な部分集合を定義域にできるように変わりました。
変数ｘの数直線の中の自然数だけの集合の定義域もあります。

（注意）
「不連続点」である条件は、その不連続な値で関数値ｆ（ｘ）がある事と決められている。そのため、例えば数直線のｘ＝０の点で関数値ｆ（０）が存在しない数直線上の点を不連続点とは呼ばないようにされています。
そのように、不連続点という言葉では、変数ｘの所定区間でｆ（ｘ）が存在しないためｆ（ｘ）が連続で無い事実を表現できなくなっている。
そのため、当ブログでは、上の例の関数値ｆ(0)が定義されていないｘ＝０の点は、連続で無い点と呼び、「不連続点」という不完全な言葉は使わない事にします。

【高校数学での連続関数の定義の間違い】
　高校数学で連続関数を定義域で連続な関数として定義した誤りの原因は、位相空間論の連続関数の定義を、古典的微分積分学に適用した事にある。そうしてしまうと、連続関数という言葉を使ってあらわされている古典的（微分積分学）の全ての定理は、それと異なる連続関数の定義を前提にしている定理であるから、それらの定理の全てを無視すること、更に、その無視された定理を少しでも使う全ての定理を無視することを強いる事になる。

【閉区間で連続な関数の最大値・最小値の定理】
閉区間（ ａ≦ｘ≦ｂ）で連続な関数ｆ（ｘ）は、
その区間内で有限の値の最大値と最小値を持つ。
（ここまでが定理）

　この定理は、誤った連続関数の定義と異なる、正しい連続関数の定義を前提にした定理です。そのため、この定理は、高校数学では無視することが強いられています。

高校数学では、
ｙ＝１／ｘは、ｘ＝０以外の、全ての定義域の点で連続なので「連続関数」と呼ばれています。

また、高校数学では、閉区間（ ａ≦ｘ≦ｂ）とは、変数ｘの値の範囲を限定する式のことであるという間違いが教えられています。

その誤った知識に基づくと、
【閉区間で連続な関数の最大値・最小値の定理】とは、
変数ｘの範囲（ ａ≦ｘ≦ｂ）内に関数が連続である定義域を持つ連続関数ｆ（ｘ）は、
その範囲（ ａ≦ｘ≦ｂ）内で有限の値の最大値と最小値を持つ。
（ここまでが定理）

という定理と解釈されます。

この「定理」には以下の反例があります。
関数ｆ（ｘ）＝１／ｘは、
変数ｘの範囲
－１≦ｘ≦１
内に定義域（ただしｘ≠０という定義域）が存在し、
－１≦ｘ≦１
内で定義されているどの点でも連続なので、

連続関数です。しかし、この連続関数ｆ（ｘ）は、
ｘ→０の近くで∞と－∞に発散するので、
有限の値の最大値と最小値を持たない。
（反例おわり）

　しかし、この定理の基礎となっている正しい連続関数の定義が高校数学での連続関数の定義とは違うので、これは定理の反例にはなっていません。 

　以下で、正しい連続関数の定義と、区間という数学用語の正しい定義に基づき、この最大値・最小値の定理を証明します。

【閉区間で連続な関数の最大値・最小値の定理】
閉区間（ ａ≦ｘ≦ｂ）で連続な関数ｆ（ｘ）は、
その区間内で最大値と最小値を持つ。
（ここまでが定理）

この定理を正しい連続関数の定義に基づき、以下の様に言い換える事ができます。

（最大値・最小値の定理の言い換え）
連結区間（ ａ≦ｘ≦ｂ）の範囲内の全ての実数ｘに対して有限の関数値ｆ（ｘ）が存在する。そして、その範囲内の全ての点で関数ｆ（ｘ）が１つながりに連続な連続関数であるものとする。
その場合は、その範囲内（ ａ≦ｘ≦ｂ）での関数の値ｆ（ｘ）の全てが、有限な値の最大値と最小値との間にある。
（定理の言い換えおわり）

　この定理は、明らかなように見えますが、そう見えるのは、連続関数というものを自分の主観で限定して考えているからです。

「下図の様に、連続する線を曲げて上下に振動させるグラフを作る。
そのグラフの最大の振幅のｘ座標の半分の値のｘ座標の点を、先のグラフ最大の振幅の２倍の振幅に変形させたグラフを作る。
この作業を無限に繰り返して連続なグラフを変形させていったグラフの関数ｆ（ｘ）を作ったらどうか？」

「連続な関数のグラフを切らずに作ったグラフの関数だからｆ（ｘ）は連続関数では無いのか？そして、最大値Mが無限に大きいグラフが作れるのではないか？」

というように問われたら、

「 いや、そうなったら、それは、もはや、その無限にグラフを細かくしている点ｘ＝０で不連続になり、連続関数で無くなります。」（事実はこの通りですが）

と即答できるでしょうか。

こういう問題に論理的に（数学的に）返答できるようにするため、連続が、以下の様に数学的に定義されています。

【第１の定義の連続】
「微分積分学入門」（横田 壽）の３９ページ近くに、連続の第１の定義が書いてあります。

極限を求める点が連続で無い点であっても定義される関数の極限、

を考えるときには、
x0 での関数ｆ（x）の値ｆ（x0）が定義されている必要はありませんでした。
また，x0 での関数ｆ（x）の値 f(x0) が定義されていても、その値 f(x0) がx0 での極限値

と一致する必要もありませんでした。

そのように無制限な関数の条件に、新たに、
極限値とそこでの関数の値が等しいという条件を加えてみます。

そうすることは，以下で説明するように、
関数がある点で連続である
という条件を加えるという意味を持ちます．
【定義1.4 (連続) 】
　関数f(x) は少なくとも、微小な連結区間
x0 − δ＜ｘ＜x0 + δ
の全ての点で定義されている．
（ここで、δは小さな正の実数）

が成り立つとき， f(x) はx = x0 で連続(continuous) であるという．

-----（定義の言い換え）----
　この定義をハッキリ把握するために、想像力を膨らませて、この定義を、以下の様に噛み砕いて自分の言葉で言い換えて定義を覚えてください。

（なお、この定義をかみ砕いて考える考え方が、小平邦彦「[軽装版]解析入門Ⅰ」の80ページから81ページに詳しく書いてあります。）

（０）
　この、関数の１点での連続の定義は、関数の１点の近傍の幅を持った区間で連続を判定しています。
　すなわち、関数の連続を確認する点ｘ＝ｘ0 については、その点の座標の周りに広がりを持つ区間の、少なくとも、x0 − δ＜ｘ＜x0 +δ
（ここで、δは小さな正の実数）
という連結区間の全ての実数値ｘで関数ｆ（ｘ）が定義されていることが大前提です。
「区間」と言う場合は、それは１つの連結区間であって、その区間内の全ての実数が関数の定義域である事を意味します。
（１）
次に、
ｘ0に近い（値ｘ0も含む実数）ｘを考える。
（２）
ｘ0から、正の値δの範囲内でずれる、ｘ0も含む全ての実数ｘについてｆ（ｘ）を考える。
　この定義における「全ての実数ｘ」の意味は、例えば関数の変数ｘの定義域による変数ｘの値の制限も無視して、その制限に制約されずにｘ0から、正の値δの範囲内でずれる値の実数変数ｘは全て考慮することを意味します。
（３）
その全てのｆ（ｘ）の値のバラツキの誤差を求める。
その誤差＜εとする小さな正の値εでバラツキの範囲を定める。
すなわち、どの実数ｘ（ただし、ｘ＝ｘ0の場合も含む）の値の関数値ｆ（ｘ）についても、
－ε＜ （ｆ（ｘ）－ｆ（ｘ0））＜ε
となる正の値εを定める。
（４）
ｘの値のｘ0からずれる範囲を定める正の値δを十分小さくすれば、
その範囲内の全ての実数値のｘ（値ｘ0も含む）によるｆ（ｘ）の値のバラツキが小さくなり、バラツキの範囲の値 ε がいくらでも小さくできるならば；
ｆ（ｘ）はｘ＝ｘ0 で極限値を持ち、かつ、その極限値がｆ（ｘ0）に等しい。
その場合に、
関数ｆ（ｘ）は、
ｘ＝ｘ0 で連続である。
すなわち、

が成り立つ場合に、関数ｆ（ｘ）はｘ＝ｘ0 で連続になります（第１の定義の連続）。

言い換えると、
「点ｘ０でｆ（ｘ）が連続である定義は、
どんなに小さい正の値εに対しても、
十分小さい正の値δを使ってｘの区間を、
x0 − δ＜ｘ＜x0 +δ　（ｘ＝ｘ0となる場合も含む）
に限定すれば、どのｘの値でも、
－ε＜ （ｆ（ｘ）－ｆ（ｘ0））＜ε
が成り立つようにできる事である。」
----（定義の言い換えおわり）----------- 

（注意１）このε－δ論法による連続の第１の定義は、
ｘの区間の x0 − δ＜ｘ＜x0 +δ を使っていますので、その区間の全ての実数についてｆ（ｘ）の値が存在する（定義されている）事を条件にしています。そのため、以下の例の様に関数値ｆ（ｘ）が区間で定義されていない場合は、連続であるとは定義しません。
ｘ＝０，１，２だけで定義された関数ｆ（ｘ）の例：
ｆ（０）＝１０，
ｆ（１）＝１１，
ｆ（２）＝１２，
この関数ｆ（ｘ）は、
どんなに小さい正の値εに対しても、
正の値δ＝０．５を使ってｘの範囲（区間では無い）を、
１− δ＜ｘ＜１ +δ
に限定すれば、
その範囲内のｆ（ｘ）の定義域のｘの値は、ｘ＝１のみになる。
その全てのｘの値（ｘ＝１だけですが）に対して、
－ε＜ （ｆ（ｘ）－１１）＜ε
が成り立つようにできます。
ε＝１／１００００という小さなεの場合でも上の式が成り立ちます。対象となるｘはｘ＝１しか無いからです。

しかし、そうであっても、ｆ（ｘ）はｘ＝１で連続ではありません。
連続の定義では、区間
１− δ＜ｘ＜１ +δ
内の全て実数に対して、ｆ（ｘ）の値が存在する事を要請しているが、関数ｆ（ｘ）はその条件を満足しないからです。

（注意２）ここで、ε－δ論法が出て来ましたが、ε－δ論法というものは、εとδを使った極限の表現の手段であって、そのε－δ論法を使った「連続」の定義は、上の形の第１の連続の定義に限られません。
以下で説明する片側連続についても、第１の連続の定義とは形を変えた別のε－δ論法によって片側連続が定義されます。

【第２の定義の連続】
  【関数が閉区間（a≦ｘ≦ｂ）で連続という定義】
　閉区間（ａ≦ｘ≦ｂ）で定義された、第２の定義の連続関数ｆ（ｘ）は、多くの場面で使われます。
閉区間（a≦ｘ≦ｂ）で連続な連続関数ｆ（ｘ）と呼ばれますが、
その定義域の端点では、片側連続であり、両側からは連続していなくても閉区間で連続と定義しますので要注意です。

上図の関数ｆ（ｘ）は、X＝０とX=2で不連続ですが、
その０≦ｘ≦２の区間内の部分は、
「区間０≦ｘ≦２で定義された関数ｆ（ｘ）が区間０≦ｘ≦２で連続な連続関数である」
と言います（第２の定義の連続関数）。

（第２の定義の連続関数の端点での連続の定義）
（１）
　関数ｆ（ｘ）が、閉区間ａ≦ｘ≦ｂで定義され、ａ＜ｘ＜ｂの点でｆ（ｘ）が連続であって、
（２）
　閉区間の端点ｂでは：
x → ｂ− 0 またはx → ｂ− と表わす左側極限値ｆ（ｂ－）がｆ（ｂ）である左連続によって連続です。
すなわち、端点ｂでのグラフの点（ｂ，ｆ（ｂ））が左側極限の点（ｂ－，ｆ（ｂ－））と連続している（片側連続性）。

左連続の定義は、ε－δ論法によって以下の様に表現することができます。
どんなに小さい正の値εに対しても、
十分小さい正の値δを使ってｘの区間を、
ｂ－δ＜ｘ≦ｂ　（ｘ＝ｂとなる場合も含む）
に限定すれば、どのｘの値でも、
－ε＜ （ｆ（ｘ）－ｆ（ｂ））＜ε
が成り立つようにできるならば閉区間の端点ｘ＝ｂで連続である。

（３）
　閉区間の端点ａでは：
x → ａ＋ 0 またはx → ａ＋と表わす右側極限値ｆ（ａ＋）がｆ（ａ）である右連続によって連続です。
すなわち、端点ａでのグラフの点（ａ，ｆ（ａ））が右側極限の点（ａ＋，ｆ（ａ＋））と連続している（片側連続性）。

右連続の定義は、ε－δ論法によって以下の様に表現することができます。
どんなに小さい正の値εに対しても、
十分小さい正の値δを使ってｘの区間を、
ａ≦ｘ＜ａ＋δ　（ｘ＝ａとなる場合も含む）
に限定すれば、どのｘの値でも、
－ε＜ （ｆ（ｘ）－ｆ（ａ））＜ε
が成り立つようにできるならば閉区間の端点ｘ＝ａで連続である。

そういうふうに、閉区間（a≦ｘ≦ｂ）で定義された関数ｆ（ｘ）は、その閉区間の端点ａ，ｂ間で連続な関数ｆ（ｘ）であると定義されています。

関数ｆ（ｘ）が右側極限や左側極限で区間の端点に片側連続性で連続につながっているので、そういう表現をする理由になっています。
-----第２の定義の連続関数の説明おわり-----------


最大値・最小値の定理は、最大値がある事を示せば、同様にして最小値がある事も示せるので、最大値がある事を証明するだけで十分である。

【最大値の定理の証明】最大値の定理の対偶の定理：
　閉領域内で関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない場合には、その閉領域内の少なくとも１つの点の座標ｘの関数値ｆ（ｘ）が無限大に発散し、その点ｘでは関数が不連続になる事を、以下の様にして証明することで、最大値の定理が証明できます。

上図の閉領域で、関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されないならば、その閉領域を、以下の様に半分に分割した２つの閉領域（ただし、その分割点は両側の閉領域に重複して含ませる）の少なくともどちらかの閉領域で、関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない。

そして、その、関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない閉領域を、更に半分に分割した２つの閉領域の少なくともどちらかの閉領域で、関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない。

そして、その、関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない閉領域を、更に更に半分に分割した２つの閉領域の少なくともどちらかの閉領域で、関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない。

この操作を無限に繰り返すと、
関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない領域が無限に小さくなっていきます。
その場合に、その領域内の点のｘ座標が、極限値ｘｇに収束する（ここをクリックした先の定理18）。

その極限値ｘｇの近くでは、
どんなに小さなδを選んでも、
xｇ − δ＜ｘ＜xｇ +δ　（ただし、ｘ＝ｘgの場合を含む）
を満足する実数値ｘの領域内に、
無限に小さな領域ではあるが、関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない領域が含まれます。
そのため、その領域の実数ｘのなかに、
関数ｆ（ｘ）の値を有限の値Mに制限しない無限に大きく発散させる点のｘがあります。
その点のｘでは、
小さなεを選んで、ある有限の値 lim に関して、
－ε＜ （ｆ（ｘ）－lim）＜ε
とすることができません。

それは、
ｘ→ｘｇ　（ただし、ｘ≠ｘg）
でのｆ（ｘ）の極限値が無いか、
又は、
（ｘ≠ｘｇでの）極限値（それは有限の値Mに制限される）があっても、
ｘ＝ｘｇの場合のｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されず、
すなわち、
ｆ（ｘｇ)は、
（ｘ≠ｘｇでの）ｘ→ｘｇでのｆ（ｘ）の極限値とは異なる、
ということを意味します。

それは、
ｘ＝ｘｇでｆ（ｘ）が不連続である事を意味します。

よって、
閉領域で関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない場合には、
その閉領域内に、
ｆ（ｘ）が不連続になる点ｘ＝ｘｇ
が存在する事を意味します。
（最大値の定理の対偶の定理の証明おわり）

（補足）
　以上の証明の中で出てきた、
（ｘ≠ｘｇでは）有限の値Mに制限される極限値があっても、
ｘ＝ｘｇの場合のｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない関数とは、
例えば、大学の数学で学ぶ、ディラックのデルタ関数というものがあります。
ディラックのデルタ関数はδ（ｘ）と表現され、
x≠０のとき:　δ（ｘ）＝０
ｘ＝０のとき：　δ（ｘ）＝無限大（有限の値Mに制限されない）
そして、
ｘのー１から１の範囲で定積分すると：

となる関数です。
 
（最大値の定理の証明のポイント）
　以上の、最大値の定理の証明のポイントは、関数ｆ（ｘ）の定義される区間内の関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されない場合を詳しく調べた、定理の対偶の定理を証明した事にあります。

　関数値ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されないという事は、
（１）ｆ（ｘ）の値が有限の値Mに制限されない区間がある場合は、ｆ（ｘ）の値が制限されない区間の幅を無限に狭め、その無限に狭めた区間を少なくとも１点に収束させる極限がある事を確認した事。
（２）そして、その収束した極限の点ｘｇでは、関数ｆ（ｘ）が不連続になる事をしらべた事が、最大値の定理の証明のポイントです。

　よって、この対偶が成り立ち：
閉区間で連続である関数においては、ｆ（ｘ）が有限の値Mに制限されないという事が無いのです。

（備考１）
なお、下図の様に、少なくとも１つの端（ｘ＝ａ）が開区間で連続な関数については、そのｘ＝ａとなる点が無限に発散する点になり得るので、ｆ（ｘ）がｘ＝ａの極限で無限に発散する場合があり得ます。

　なお、学生が微分積分を無駄なく学べるよう工夫がこらされている本：小平邦彦「[軽装版]解析入門Ⅰ」では、
【閉区間で連続な関数の最大値・最小値の定理】を、閉区間の連続関数は一様連続であり、開区間の関数は一様連続で無いという、関数の本質的な性質を使って証明しています。小平邦彦「[軽装版]解析入門Ⅰ」の85ページにその証明が書いてありますので、是非、一読する事をお勧めします。

小平邦彦「[軽装版]解析入門Ⅰ」で学ぶならば、微分積分が無駄なく勉強できて良いと思います。

（一様連続性と最大値・最小値の定理の関係）
　こうして証明できた、閉区間で連続な関数の最大値・最小値の定理によって、
f(x)が連結な閉区間ａ≦ｘ≦ｂで１つながりに連続な関数であれば、ｆ(x)の値はある最大値と最小値の間の値に限られている。
　その、最大値と最小値の間の値に限られている、閉区間で連続な関数ｆ（ｘ）の領域を以下の図の様に２等分する。

（ただし、二等分とは言っても、分割された領域の境界点は、それぞれの領域が共有するように分割する。）
そして、分割された領域毎に、関数の最大値と最小値の差Δを考え、全分割領域での、差Δの最大値Δ２を抽出する。
関数ｆ（ｘ）が連続関数の場合は、その差の最大値Δ２は、分割前の領域での関数の最大値と最小値の差Δ１よりも小さくなる。
更に、各領域を２等分する。

（ただし、二等分とは言っても、分割された領域の境界点は、それぞれの領域が共有するように分割する。）
そして、分割された領域毎に、関数の最大値と最小値の差Δを考え、全分割領域での、差Δの最大値Δ３を抽出する。
関数ｆ（ｘ）が連続関数の場合は、その差の最大値Δ３は、分割前の領域での差の最大値Δ２よりも小さくなる。
更に、各領域を２等分する操作を繰り返し、
差の最大値Δ４、Δ５、Δ６・・・
を求めて行く。
すると、関数ｆ（ｘ）が連続関数の場合は、領域を分割する毎に、全分割領域での差の最大値Δｎは無限に小さくなって行く。
（もし関数の最大値と最小値の差Δｎが無限に小さくならない点があったならば、その点は連続では無い点である。連続関数ｆ（ｘ）には、そのような点は無い。） 

（一様連続性）
以上の様に、ある関数f(x)の各分割領域を更に２分の１に分割する操作をｎ回繰り返していき、各分割領域の関数f(x)の最大値と最小値の差（関数の値のばらつき）Δを求める。
（１）そのとき、全ての分割領域での関数の値のばらつきΔの最大値Δｎが有限の値で存在すること。
（２）この操作を繰り返して分割領域を無限に小さくすると、 
全ての分割領域での関数の値のばらつきの最大値Δnが、無限に小さくなって行く。
（すなわち、全ての分割領域での関数の値のばらつきがΔnより小さく、そのΔnが無限に小さくなっていく）
これが成り立つ関数f(x)の性質を「一様連続」であると言います。
（一様連続の説明おわり）

その様に無限に小さい差Δｎは、関数ｆ（ｘ）の値の総和（リーマン積分）への影響が無限に小さいため、この関数ｆ（ｘ）は、リーマン積分が可能です。

小平邦彦「[軽装版]解析入門Ⅰ」の85ページが、
【閉区間で連続な関数の最大値・最小値の定理】を、閉区間の連続関数は一様連続であり、開区間の関数は一様連続で無いという性質を使って証明しているのは、一様連続性が、最大値・最小値の定理が成り立つ根本的な原因であるという数学的視点が大事である事を教えたいからではないかと考えます。是非、一読をお勧めします。

リンク：
連続関数とは何か
高校数学の目次

関数値が複素数になる関数の合成関数の微分

　高校２年生から、極限・微分・積分の「意味がわからない」「つまらない」「教わる計算方法が正しいと言える理由（証明）がわからない」で数学の学習から脱落する高校２年生が多いらしい。　その脱落の原因は、高校２年の極限・微分・積分の授業では、数学のうたい文句から外れた教育がされるからではないかと考えます。
すなわち、今までは、
「数学は、公式を正しく証明した後にその公式を使う」
と言って来たが、
高校２年生の、極限・微分・積分の授業からは、
「数学は、計算結果さえ合えば良い、途中の経緯は問わない、公式の証明は間違っていても問題視しない」
という教育思想が入り込み、
その思想の行き過ぎを避けるため、
「便利すぎる公式は、それをつかって直ぐ答えが得られてしまうから教えない」
という思想が混ざり、
数学教育に大きな濁りが入り込むので「微分積分がつまらない」となる原因があるのではないかと考えます。

　その濁りに押し流され無いため、高校２年生も 公式を厳密に証明して納得してから使う、数学の心に従って極限・微分・積分の学習をして欲しいと考えます。

【合成関数の微分の公式の適用限界】
　合成関数の微分の公式は、その公式を関数に適用できる限界があります。
　以下で、関数値が複素数になる関数の合成関数の微分を試すことで、その限界を見ていきます。

以下の図の、式１を満足する半円の変数ｘの定義域を拡張して、ｘの２乗が１より大きい場合には関数値が虚数になる関数ｆ（ｘ）を使います。
この関数ｆ（ｘ）は、ｘのどの値でも式１を満足する関数です。
この関数 ｆ（ｘ）を使った以下の合成関数ｇ(x)を考え、
先ずは、その関数ｇ（ｘ）を直にｘで微分してみます。

関数ｇ(x)を直接に変数ｘで微分した結果、式３が得られました。
合成関数の微分の公式を使っても、ｘが－１と１の場合以外は式３と同じ結果が得られます。
しかし、ｘ＝－１と１における微分係数だけは、
以下で説明するように、合成関数の微分の公式では求められません。

【関数ｇ(x)の微分を合成関数の微分の公式を使って求める】
（微分係数の計算開始）
先ず、－１≦ｘ≦１の範囲で関数ｇ(x)の微分を計算する。

式４ａによって微分係数の値が計算できました。

（注意）ここで注意しなければならない事は、ｘ＝－１とｘ＝１においては微分が定義できません。
例えば、ｘ＝１での微分係数が無限大に発散するので、ｘ＝１での微分係数が定義できない（微分可能では無い）。

次に、ｘ＞１とｘ＜－１の範囲で関数ｇ(x)の微分を計算する。

式４ｂによって微分係数の値が計算できました。

こうして、合成関数の微分の公式を使って、
ｘ≠－１、かつ、ｘ≠１の場合の変数ｘの値における合成関数ｇ(x)の微分係数が式４ａと式４ｂで求める事ができました。
（微分係数の計算おわり）


こうして、合成関数の微分の公式を使っても、ｘが－１と１の場合以外は式３と同じ結果が得られました。
しかし、ｘ＝－１と１における微分係数だけは、
合成関数の微分の公式では求められませんでした。

すなわち、合成関数の微分の公式を使うことでは、公式の適用条件（各関数が全て微分可能（無限大はダメ）でなければならないという制約）が存在するため、 
ｘ＝－１と１における微分係数だけは、合成関数の微分の公式では求められませんでした。

（補足：日本の高校の極限と微分積分の教育）
　ヨーロッパやアメリカでは、「高校で微分積分及び極限を教えるのは、直感にうったえる内容に限られ、正確な微分積分を教えられない」という理由で、微分積分は大学生に教える科目になっています。
　日本の大学でも、その欧米の教育に合わせて、初めて学ぶ者に分かるように微分積分及び極限を改めて教育しているようです。
　大学で使う微分積分の参考書は、高校で教える微分積分の知識を全く知らない学生に理解できるように書かれています。
　しかも、大学生向けの微分積分の参考書の方が、日本の高校生向けの微分積分の参考書よりやさしく分かり易い。

　高校の微分積分を勉強するなら、先ず、大学生向けの微分積分の参考書を読むことを推薦します。高校の微分・積分の教科書は分かりにくいだけで無く、間違いも含まれています。読まない方が良いのではないかと考えます。
　数学センスのある学生が学習を一歩も前に進めることができなくなることが無い、安心して微分積分の勉強を進めることができる、ごまかしの無い本は、高校生用の教科書や参考書なのでは無く、大学１年生向けの参考書：例えば：「やさしく学べる微分積分」（石村園子） ￥2000円　などだと思います。その本は、微分積分を初めて学ぶ高校２年生にとって、内容がわかり易くて、しかも正確であって良いと思います。その本の３６ページから４５ページまで勉強するだけで、微分の必須知識が学べます。

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点Ａを通る直線の円への接点は図形で求めること

【問１】
　座標原点を中心にする半径１の円（ｘ^２＋ｙ^２＝１）に対して、点Ａ（ ａ，０）から引いた接線の円との接点Ｂの座標をもとめよ。

上の図で線分ＯＡの長さをａとする。

（予備知識）
受験問題のときは、円と直線の方程式の問題は、図形で考えます。図形で解く方が速く解が得られるし、計算の見通しを良くするからです。

この問題の解答は、ここをクリックした先にあります。

この問題を自力で解いた後で、解答も読んでください。
参考になる解説を書きましたので。

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二角挟辺が分かっている三角形の残りの辺の長さ

【問１】 
下図の三角形ＡＢＣで角Ａと角Ｂと、その二角の間の辺ＡＢの長さが分かっているとき、辺ＢＣの長さａを求めよ。


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二辺挟角から残りの角の三角比を求める

【問題１】
下図の三角形ABCの辺の長さｃとａと、その間の頂角Ｂ＝θが分かっているとき、
残りの頂角AとＣの三角比を求めよ。

【解答例】



【解答】
頂角Aの三角比は、
以下の図を使って計算できる。

（解答おわり）

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三角形の３辺から頂角の三角比を求める

「三角形の高さと外接円の半径の関係の証明」のページの結論：
または、
「三角形の外接円の半径Rを三角形の３辺からもとめる」ページの結論：

（ただし、辺の長さａとｂとｃを入れ替えた式も同じ値になる。また、この式は更に因数分解できる。）

この式と正弦定理から、角Aのsinが以下の式で計算できます。

なお、余弦定理から、角Aのcosが以下の式で計算できます。

ここで、点Aが辺ＢＣの下側の円弧上にある場合は、∠Ａ＞９０°になるので、cosAは負の値になります。
cosAは、∠Ａと１対１対応するので、cosA を求めれば、角度Ａは１つに定まる。

　なお、このcosAから、再度sinAを、以下の様に計算してみます。

（注意）正の値のsinAを与える角度は、∠Aと、（180°－∠A）との２つの角度があり、∠Ａが１つに確定しないという問題点がある。

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三角形の２角の三角比から残りの角の三角比を求める

「三角形の垂心の図の全ての線分を三角関数の積で表す」のページから分かる事：

線分BCを見ると：
　sinA＝(sinC・cosB)＋(sinB・cosC)　（１）
線分ADを見ると：
　cosA＝(sinB・sinC)－(cosB・cosC)　（２）

このように、三角形ABCの角Bと角Cの三角比が分かっているとき、
残りの角Aの三角比が、式１と式２で求められる。

　この式１と２は、高校２年になると、三角関数の加法定理で学びます。

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二等辺三角形の底辺の長さ

【問題】 以下の二等辺三角形ACDの底辺CDの長さXを頂角Aのsinθとcosθを使ってあらわせ。

この問題の解答はここをクリックした先にあります。
 
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接線と接点の定義

（接線の定義）
　連続なグラフ上に２点Ａ，Ｂを取って、その２点をその間の１点のＣに無限に近づけた時に、その２点Ａ，Ｂを通る直線が１つの直線に収束する場合に、その直線を、そのグラフの、点Ｃにおける接線と呼び、点Cを接点と呼びます。

例えば、上図のようなＹ軸に平行な直線
ｘ＝ｋ
と円とが接する条件は、
直線と円との２つの交点が１つの点になる極限で、直線が円に接する。
その条件は、
ｋ＝－１、または、ｋ＝１
である。
その場合にｙの値が重解０になる。

また、下図のような直線
ｙ＝ｘ＋ｋ
と円が接する条件を求める。

直線と円との２つの交点が１つの点になる極限で、直線が円に接する。
その条件は、
ｋの二乗＝２
である。
その場合にｘの値が重解（＝－ｋ／２）になる。

交点（ｘ，ｙ）の解が重解になる場合に、 直線と円が接する。
それは、上図の様にｘの解が重解になる場合や、ｙの解が重解になる場合がある。

（注意１）
　グラフの不連続点や、グラフが滑らかでは無く折れ曲がっている点においては、その点における接線は考え無いことにする。その不連続点や折れ曲がり点に接する直線があるかもしれないが、その点における「接線」については考え無いことにする。
（接線の定義の言い換え）
（１）　ＸＹ平面上のＹ＝ｆ（ｘ）であらわすグラフの、Ｘ＝Ｘ0となる１点Ｃにおいて、
微分係数ｆ’（Ｘ0）が存在するとき、その点Ｃを通り、傾きｆ’（Ｘ0）を持つ直線が点Ｃにおける接線である。
（２）　その微分係数ｆ’（Ｘ0）が存在しない（無限大になる）場合には：

そのグラフを、ＹＸ平面上のＸ＝ｇ（Ｙ）というグラフとみなして考える。そう考えた場合に、
そのグラフ上の１点Ｃ（Ｘ0，Ｙ0）において、微分係数ｄｘ／ｄＹ＝ｇ’（Ｙ0）が存在するとき（この場合は、ｇ’（Ｙ0）＝０になると思うが）、その点Ｃを通り、ＹＸ平面での傾きｄＸ／ｄＹ＝ｇ’（Ｙ0）を持つ直線が点Ｃにおける接線である。
（３）　微分係数ｆ’（Ｘ0）が存在せず、微分係数ｇ’（Ｙ0）も存在しない場合、その点Ｃにおける「接線」については考え無いことにする。その点Ｃでグラフに接する直線はあるかもしれないが、その点における「接線」は考え無いことにする。

（補足１）
「関数が x0 で微分可能（有限の値の確定した値の微分係数が存在する）」
という意味は、
「関数が、その変数 x のその値 x0 に限って、その変数 x で微分可能であれば良く、その変数 x のその他の値での関数の微分可能性は関係しない」
という意味です。
 
 （補足２）
ｄｆ／ｄｘ＝∞
の場合は、傾きが有限で無いので、
変数ｘで微分可能ではありません。 
ｄｆ／ｄｘ＝無限大
という関係が存在しても、
「微分係数（ｄｆ／ｄｘ）が存在しない」
とも言われ、微分不可能です。
それは、
ｘ＝０において、
関数ｆ（ｘ）＝１／ｘ
の値が無限大という関係が存在しても、
「ｘ＝０において関数値１／ｘが存在しない」
と言うのと同じ意味です。
　下図のグラフの関数は、ｘ＝０となるＯ点では傾きが無限大なのでｘ＝０では変数ｘによる微分係数が存在せず、変数ｘで微分不可能です。

なお、このグラフは、Ｏ点でＸ＝０という直線と接します。
それは、このグラフの座標（変数）を変換して、Ｙ座標値を変数であるとみなし、グラフのＸ座標値を、関数値とみなせば、グラフの微分係数（ｄＸ／ｄＹ）＝０は存在するので、変数Ｙによるその微分係数で接線Ｘ＝０が定められるからです。
すなわち、このグラフのＹを与えるｘの関数はｘ＝０でYがｘで微分不可能ですが、この関数の逆関数の、ｘを与えるＹの関数は、変数としてのYの全ての定義域でｘがＹで微分可能です。

　このように、座標系を回転させる座標変換（変数変換の一種とも言える）によって角度を変えて見ると、ある変数Ｘでは微分不能であった点が、他の変数Ｙでは微分可能に変わることがあります。

（注意２）
このグラフの関数は、ｘ＝０で微分不可能ですが、以下の性質は持っています。

すなわち、
Δｘ→０の場合にΔｙ→０となる性質は持っています。
そして、このグラフは、
x1<x2の場合にf(x1)<f(x2)となる、単調増加の性質は持っています。
（注意２おわり） 

　「微分可能」を定めた意味は、ある制限条件を定めて、その「制限条件」を外れた関数については”考えないこと”にするのが、「微分可能」という制限条件を定めたた本当の理由だと思います。
 以下のグラフの関数については：

このグラフには、Ｘ＝０の点に接する「接線」が存在しませんが、
その「存在しない」の本当の意味は、
Ｘ＝０においては微分係数が存在しないので、Ｘ＝０では「接線のことを考えないことにした」のです。
その影響を受けて、このグラフにおける、Ｘ＝０で接する線については「接線では無い」と言われるようになったのだと思います。
　「接線が無い」のでは無く、「微分不可能な点では接線を考えないことにした」だけなのですが、、、
　実際、以下のグラフでは、X=0での微分係数が∞になり微分不可能な曲線の点にY軸に平行な接線が接する。

その場合に、その変数Xで微分不可能な点において、「接線が無い」のではなく「接線を考え無いことにした」ことが明らかです。

（注意３）
　関数の変数を変換すると、接する２つグラフが接さない２つのグラフに変換される例を考える。
　下の２つの関数のグラフはＯ点で接しています。

しかし、この２つの関数の変数ｘを、以下のグラフで表される関数X（ｔ）を使って変数ｔに変換してみます。

この関数Ｘ（ｔ）のグラフは、
ｔ＝０の点での傾き（関数のｔによる微分係数）が無限大になってしまい、ｔ＝０では微分可能で無いという特徴があるグラフです。

この関数で元の２つの関数の変数ｘを変数ｔに変換してあらわすと以下の２つのグラフになります。

元の２つのグラフの変数ｘを変数ｔに変換した２つのグラフはＯ点で接さず交差しています。

　変数を変換すると、このように、互いに接する２つのグラフが、交差はするが接さない２つのグラフに変わってしまうことがあることに気をつけましょう。

　なぜ、その様なことが起こるのでしょうか？
　それを自力で考えていく事が数学を勉強する良い態度だと思います。
　原因が分からなければ、数学の信用できる参考書で勉強しましょう。しかし、結局は、その答えは自力で考えることになりますが、、、


　その様なおかしな事が起こる場合は、変数ｔのその値で微分可能では無い関数を使って変数を変換すると生じ得ます。おかしな事が起こらないようにする１つの十分条件として、変数変換に使う関数を、変数のその値で「微分可能」な関数を使えば、変数がその値の部分でのグラフにはおかしな事が起こりません。
　「微分可能」は、このようにおかしな事が起こらないようにする十分条件なのです。これが、「微分可能」と「微分不可能」を区別する意味だと考えます。

　この「微分可能」によって、自然な直感で想像できる事がどのようにして生じ得るかの答えは、「合成関数の微分の公式」によって明らかにされますので、それまで地道に勉強を進めて欲しいと思います。

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頂角が半分の三角形の三平方の定理の変換

【問題】 三角形の頂角を半分にした三角形に関して、
以下の式１及び２が成り立つことを証明せよ：

 

この問題の解答はここをクリックした先にあります。

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三角比の分数式の変換

　三角比は、角度θをあらわすのに、cosθとsinθとの２つの表し方があり、複雑です。
　また、三角比は、以下の公式の様に、同じ値が、２つ以上の三角比の式で表されるという複雑な性質を持っています。そのため、その同じ値の２つの三角比の式同士を相互に変換できるように頭を整理しておきましょう。

【公式１】
分数式の分母が０になる場合を除き、
以下の式１及び１’：

が成り立つ事を証明せよ。

【公式２】 
分数式の分母が０になる場合を除き、
以下の式２及び２’：

が成り立つ事を証明せよ。

【公式３】
分数式の分母が０になる場合を除き、
以下の式４：

及び、

が成り立つ事を証明せよ。

【公式４】
分数式の分母が０になる場合を除き、
以下の式５：

及び、

が成り立つ事を証明せよ。

この問題の解答はここをクリックした先にあります。
これらの問題を解いたら解答も見てください。補足したコメントも書きましたので。 

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