区分的C1級関数・区分的C1級曲線とは

微分積分学(大学)
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区分的 C^1 級関数とは,有限個の区間に区切ると,それぞれが C^1 級関数になっているような連続関数のことをいいます。区分的 C^1 級曲線とは,有限個の区間に区切ると,それぞれが C^1 級曲線になっているような連続曲線のことをいいます。

数式で定義しましょう。

区分的C1級関数

定義1(区分的 C^1 級関数)

連続関数 f\colon [a,b]\to \R 区分的 C^1 級関数 (piecewise continuously differentiable function)であるとは,ある n\ge 1 と,

a=x_0<x_1<x_2<\cdots< x_n=b


が存在して, f は各 [x_{k-1}, x_k] 上で C^1 級であることをいう。ただし, f [x_{k-1}, x_k] 上で C^1 級であるとは, [x_{k-1}, x_k] 上で微分可能(端点は片側微分)で,導関数が端点も込めて連続であることをいう。

簡単に言うと,区分的 C^1 級関数とは,有限個の C^1 級関数のつなぎ合わせということです。あるいは区分的 C^1 級関数とは,いくつかに区切ってみると C^1 級関数とみれる連続関数とも言えます。

f [x_{k-1}, x_k] 上で C^1 級」の意味をより詳しく述べておきましょう。これはすなわち x_{k-1}\le x\le x_k に対し,

f'_k(x)=\lim_{\substack{y\to x \\ y\in [x_{k-1}, x_k]\setminus\{x\}}} \frac{f(y)-f(x)}{y-x}


が存在して, f'_k [x_{k-1}, x_k] 上連続であるということです。極限の取り方を見ると, f'_k(x_k) x\uparrow x_k となる極限(左極限)を考えていて, f'_k(x_{k-1}) x\downarrow x_{k-1} となる極限(右極限)を考えていますね。 ここで,通常の C^1 級関数だと, f'_{k-1}(x_{k-1})=f'_k(x_{k-1}) となる,すなわち x_k における左極限と右極限が一致するのですが,今はそうでなくてもよいということです。

例を挙げましょう。

例1(絶対値).

f\colon [-1,1]\to \R

  1. f(x)=|x|
  2. f(x)=\begin{cases} x^2 &0\le x\le 1, \\ \sqrt{x+4}-2 & -1\le x\le 0 \end{cases}

と定めると,これらは区分的 C^1 級関数である。

1.のみ確認しましょう。原点で尖っていますが, f は連続であり,また [-1, 0] f'=-1,\, [0,1] f'=1 となるため, [-1, 0],\, [0,1] 上それぞれにおいては f C^1 級関数になっています。2.もほぼ同じです。

なお,定義に則ると f(x)=\sqrt{|x|} は区分的 C^1 級ではありません。 x=0 における片側微分が存在しないからです。

区分的C1級曲線

平面 \R^2 上あるいは \mathbb{C} 上の曲線を考えましょう。

区分的 C^1 級曲線は,単純に区分的 C^1 級関数の f\colon [a,b]\to \R f\colon [a,b]\to \R^2 \text{ (or }\mathbb{C}) に置き換えただけです。

定義2(区分的 C^1 級曲線)

連続関数 f\colon [a,b]\to \R^2 \text{ (or }\mathbb{C})区分的 C^1 級曲線 (piecewise continuously differentiable curve)であるとは,ある n\ge 1 と,

a=x_0<x_1<x_2<\cdots< x_n=b


が存在して, f は各 [x_{k-1}, x_k] 上で C^1 級であることをいう。ただし, f [x_{k-1}, x_k] 上で C^1 級であるとは, [x_{k-1}, x_k] 上で各成分が微分可能(端点は片側微分)で,各導関数が端点も込めて連続であることをいう。

f\colon [x_{k-1}, x_k]\to \R^2 C^1 級とは, f(x)=\bigl(u(x), v(x) \bigr) と成分表示したときに, u, v\colon [x_{k-1}, x_k]\to \R がともに C^1であることをいいます。複素関数 f\colon [x_{k-1}, x_k]\to \mathbb{C} のときは,普通に実数から複素数の関数とみて微分を考えても良いですし,実部と虚部を分けて,それぞれで実数から実数への関数とみて微分を2つ考え, \R^2 の場合に帰着させてもよいです。

以下の例を見てください。これは区分的 C^1 級曲線の例になっています。

区分的C^1級曲線の例

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