超準解析

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ゴットフリート・ライプニッツ無限小たちを含む理想的数を導入することを主張した。

微分積分学の歴史英語版は、流率法あるいは無限小数の意味および論理的妥当性に関する哲学的論争を孕んでいる。これらの論争の標準的な解決策は、微分積分学における操作を無限小ではなくイプシロン-デルタ論法によって定義することである。超準解析: nonstandard analysis[1][2][3]は代わりに論理的に厳格な無限小数の概念を用いて微分積分学を定式化する。Nonstandard Analysisは直訳すれば非標準解析学となるが、齋藤正彦が超準解析という訳語を使い始めたため、そのように呼ばれるようになった[4][5]。無限小解析(infinitesimal analysis)という言葉で超準解析を意味することもある。

超準解析は1960年代に数学者アブラハム・ロビンソンによって創始せられた。[6][7] 彼は次のように記述している:

[...] 無限に小さいあるいは無限小の量という概念は我々の直観に自然に訴えかけるように見える。何れにせよ、無限小の使用は、微分学・積分学の黎明期において、広く普及した。相異なる2つの実数の差が無限に小さくなることはないという [...] 異論に対して、ゴットフリート・ライプニッツは、無限小の理論は理想的数――それは実数と比較して無限に小さかったり無限に大きかったりするものであるが、後者(訳注:実数)と同じ性質を有する――の導入を含意するものであると主張した。

ロビンソンはこのライプニッツの連続性の原理英語版移行原理英語版の先駆けであるとしている。ロビンソンは次のように続ける:

しかしながら、彼も、彼の弟子たちや後継者たちも、このようなシステムに繋がる合理的な進展(訳注:そのような原理を合理化するもの)を得なかった。その結果、無限小の理論は徐々に評判を落としてゆき、最終的には古典的な極限の理論に取って代わられた。[8]

ロビンソンはさらに次のように続ける:

本書では、ライプニッツのアイデアが完全に正当なものであり、古典解析やその他の多くの数学の分科に対する新奇で実りあるアプローチに繋がることを示す。我々の方法の鍵は、現代モデル理論の基盤にある、数学の言語と数学的構造との間の関係の詳細な分析によって齎される。

1973年、直観主義者アレン・ハイティングは超準解析を「重要な数学的研究の標準モデル」だと賞賛した。[9]

導入[編集]

順序体 の非零元が無限小であるとは、その絶対値 は標準的自然数)の形をした如何なる の元よりも小さいことをいう。無限小を持つ順序体は非アルキメデス的であるという。もっと一般に、超準解析は超準モデル移行原理に基づくあらゆる形態の数学をいう。実数に対して移行原理を満たすような体を超実数体といい、超準実解析学はそういった体を実数の超準モデルとして用いる。

ロビンソン自身のアプローチはそれら実数体の超準モデルに基づく。彼のこの分野に関する古典的・基礎的な本 Non-standard Analysis は1966年に出版され、現在も販売されている。[10] 88ページにおいて、ロビンソンは次のように書いている:

算術の超準モデルの存在はトアルフ・スコーレム(1934)によって発見された。スコーレムの手法は超冪構成を予示するものである [...]

無限小計算を展開するには幾つかの技術的問題を解決しなければならない。例えば順序体に無限小を付け加えたものを構成するだけでは不十分である。これに関連するアイデアにまつわる議論は超実数の記事を参照。

基本的定義[編集]

本節では超実数体 の最も簡明な定義のひとつを概説する。 を実数体、 を自然数の成す半環とする。また、 によって実数列の成す集合を表す。体 の適当な商(後述)として定義される。いま 上の非単項超フィルター を取る。とくに フレシェフィルターを含む。次の2つの実数列を考える

このとき が同値であるということを、それらが超フィルターに属す集合上で一致すること、あるいは同じことであるが、次の式によって定義する:

この同値関係による の商がひとつの超実数体(a hyperreal field) を与える。この状況を簡単に と表す。

動機[編集]

超準解析を考えることには少なくとも3つの理由(歴史的、教育的、技術的)がある。

歴史的[編集]

ニュートンとライプニッツによる無限小解析の最も初期の成果の多くは infinitesimal numbervanishing quantity といった表現を用いて定式化されていた。超実数の記事で注意されているように、それらの定式化はジョージ・バークリーなどから広く批判を受けた。無限小を使用した解析学の整合的な理論の構築が問題であったが、これを満足のいく仕方で成し遂げた最初の人物がアブラハム・ロビンソンである。[8]

1958年にクルト・シュミーデンとデトレフ・ラウグヴィッツ英語版は論文 "Eine Erweiterung der Infinitesimalrechnung"[11] ("An Extension of Infinitesimal Calculus") を出版した。この論文は無限小を含む環の構成法を提案したものである。この環は実数列達から構成される。2つの数列が同値と看做されるのは、それが高々有限個の要素だけ異なっているときである。算術演算は要素毎に定義される。しかしながら、このようにして構成された環は零因子を含み、よって体を成さない。

教育的[編集]

ハワード・ジェローム・キースラーデイビット・トールやその他の教育者らは、無限小の使用は学生達にとって"イプシロン-デルタ"アプローチよりもより直感的かつ容易に解析学的概念を把握することができるものである、と主張する。[12]このアプローチはしばしば、対応するイプシロン-デルタで定式化された証明よりも、より易しい証明を提供する。大抵の単純化は、次のような超準算術の大変簡単な法則を適用することから得られる:

無限小 × 有限 = 無限小
無限小 + 無限小 = 無限小

および後で述べる移行原理である。

超準解析の別の教育的な応用はエドワード・ネルソンによる確率過程の取り扱いである。[13]

技術的[編集]

幾つかの最近の研究は、超準解析の概念を用いた解析学、とくに統計学や数理物理学における極限過程の研究において為されている。セルジオ・アルベヴェリオ[14]はそれらの幾つかの応用について論じている。

超準解析へのアプローチ[編集]

超準解析には2つの非常に異なったアプローチがある:ひとつは意味論的あるいはモデル論的アプローチであり、もうひとつは構文論的アプローチ(証明論的アプローチ)である。これらのアプローチはどちらも解析学以外の、数論、代数やトポロジーを含む、他の数学の領域に適用される。

ロビンソンによる超準解析の元々の定式化は「意味論的アプローチ」のカテゴリーに分類される。彼が一連の論文で行ったように、これは理論のモデル(とくに飽和モデル)の研究に基づく。ロビンソンの仕事が最初に現れてから、Elias Zakon上部構造と呼ばれる純粋に集合論的な対象を用いたより単純な意味論的アプローチを開発した。このアプローチでは、「理論のモデル」は集合 の「上部構造」 と呼ばれる対象で置き換えられる。上部構造 から始めて、超冪構成を用いて、写像 を伴い、移行原理を満たす、別の対象 を構成することができる。写像 の形式的性質を関連付ける。さらに、飽和性のより簡素な形である可算飽和性を考えることもできる。この簡素化されたアプローチはモデル理論やロジックの専門家ではない数学者が超準解析を使用する場合により適している。

「構文論的アプローチ」はロジックとモデル理論に関して遥かに少ない理解と使用を要する。このアプローチは1970年代半ばに数学者エドワード・ネルソン英語版によって開発せられた。ネルソンは内的集合論英語版(IST)と彼が呼ぶ完全に公理的な超準解析の定式化を導入した。[15]ISTは二項帰属関係 に関するツェルメロ=フレンケル集合論(ZFC)に新しい単項述語「標準的」を追加する。この新しい述語は、集合論的宇宙の要素達に適用可能なものであって、それに関する推論の為の幾つかの公理を伴う。

構文論的な超準解析は数学者が通常当たり前と考える集合構成原理(形式的には内包原理として知られる)の適用において細心の注意を要する。ネルソンが指摘するように、IST内の推論における誤りは「非合法な集合構成」によるものである。例えば、ちょうど標準的自然数からなる集合はISTにおいては存在しない(ここで「標準的」は新たに導入した述語の意味に解する)。非合法な集合構成を回避するために、部分集合の定義にはZFCの述語だけを使用しなければならない。[15]

構文論的アプローチの別の例としてはヴォピェンカによって導入された代替集合論英語版がある。[16]これはZF公理系よりも超準解析と両立的な集合論的公理を探るものである。

ロビンソンの書[編集]

アブラハム・ロビンソンの書 Non-standard analysis は1966年に出版された。この本で開発された幾つかのトピックは、彼の1961年の同名の論文(Robinson 1961)で既に与えられている。この本は、超準解析の最初の完全な取扱いを含むことの他にも、詳細な歴史的な章を含んでいる。そこでロビンソンは、無限小が矛盾した量であるという超準解析以前(pre-NSA)の認識に基づく、数学の歴史に関する広く信じられている幾つかの見解に挑戦している。ロビンソンは、連続関数の級数の収束に関するオーギュスタン=ルイ・コーシーCours d'Analyse英語版 にある "sum theorem" が誤りであるという考え方に挑み、この"定理"の仮定に無限小に基く解釈を与えて正しい定理になるようにすることを目論んだ。

不変部分空間の問題[編集]

アブラハム・ロビンソンとアレン・バーンスタイン英語版[要曖昧さ回避]は、ヒルベルト空間上のいかなる多項式的コンパクト線型作用素不変部分空間を持つことを示すのに、超準解析を用いた。[17]

ヒルベルト空間 上の所与の作用素 に対して、 の反復による の点 軌道を考える。グラム・シュミットの正規直交化法を(この軌道に)適用することで の正規直交系 が得られる。いま の"座標"部分空間からなる増大列とする。 に関する表現行列 は殆ど上三角(almost upper diagonal)、つまり、係数 だけが対角下(sub-diagonal)に於いて非零である。バーンスタインとロビンソンは、もし が多項式的コンパクトならば、超有限添数 があって、行列係数 が無限小となることを示す。次に、 の部分空間 を考える。もし が有限なノルムを持つなら、 に無限に近い。

いま 上の作用素 とする。ここで への直交射影である。 がコンパクトとなるような一次以上の複素係数多項式とする。部分空間 は内的かつ超有限次元である。有限次元複素線形空間における上三角化可能性に対して移行原理を適用することで、 の内的な正規直交基 を上手く取ることにより、対応する -次元部分空間 -不変となるようにできる。 への射影を表すものとする。ある有限ノルムの非ゼロベクトル に対し、 は非ゼロ、もしくは と仮定して構わない。 がコンパクトであることから、 に無限に近く、したがって (無限小の緩みを許せば)であることが分かる。いま なる最大の添字とすれば、 に無限に近い標準元の成す空間が望みの不変部分空間となる。

バーンスタイン=ロビンソンの論文のプレプリントを読んだ上で、ポール・ハルモスは彼らの証明を標準的な手法で以って再解釈した。[18] どちらの論文も Pacific Journal of Mathematics の同じissueに立て続けに載っている。ハルモスによる証明で使われた幾つかのアイデアは、もっと後のquasi-triangular作用素に関するHalmosの仕事に再び現れている。

他の応用[編集]

既に知られた結果の再解釈や再証明の流れに沿って得られている。とくに興味深いものとして、釜江[19]による個別エルゴード定理の証明や、ファン・デン・ドリスとウィルキー [20]による多項式成長度を持つ群に関するグロモフの定理英語版の扱いがある。超準解析はラリー・マネヴィッツとシュムエル・ワインバーガー英語版が代数トポロジーの結果を証明する為に使用している。[21]

しかしながら、超準解析の真の寄与は、超準集合論の新たな拡張された言語を用いた概念や定理の中にある。新たな応用のうちには、確率[13]、流体力学[22]、測度論[23]、滑らかでない解析や調和解析[24]などへの新しいアプローチがある。

確率過程の理論への超準解析の応用もある(とくにブラウン運動をランダムウォークとして構成するもの)。Albeverio et.al.[14]はこの研究領域への優れた導入が含まれる。

超準解析の基本的な手法である超積構成はアラン・コンヌらによって作用素環の研究に応用されてもいる。

微分積分学への応用[編集]

数学教育への応用として、H・ジェローム・キースラー英語版Elementary Calculus: An Infinitesimal Approach英語版を著した。[12] これは超準微分積分学英語版をカバーし、無限小元を含む超実数を用いた微分・積分計算を構築した。これらの超準解析の応用は有限超実数 標準部の存在に拠っている。 の標準部分 に無限に近い標準実数である。キースラーが用いた視覚化の装置のひとつは、無限に近い点を区別する為の、無限拡大率を持つ仮想的な顕微鏡である。キースラーの本は現在絶版であるが、彼のウェブサイトから無料で利用できる(下記の参考文献を参照)。

批判[編集]

超準解析の優美さや幾つかの側面からの魅力にもかかわらず、批判もまた表明されている。エレット・ビショップ英語版アラン・コンヌポール・ハルモスによる批判は超準解析に対する批判英語版にある。

論理的枠組み[編集]

任意の集合 が与えられたとき、上部構造(superstructure)とは次のように帰納的に定義される集合 である:

つまり の上部構造は から始めて、冪集合 に添加していく操作を繰り返し、それによって得られた列の和集合を取ることで得られる。実数たちの上部構造は沢山の数学的構造を含む:例えば、全ての可分距離空間や距離化可能位相線型空間の同型なコピーを含む。実質的には、解析学者が興味を持つ全ての数学が の中で展開できる。

超準解析の道具立ては集合 と写像 で幾つかの追加の性質を満たすものである。それらの原理を定式化するために、最初に幾つかの定義を述べる。

論理式が有界であるとは、その論理式に現れるどの量化子も、それぞれある集合上に制限されていること、すなわち、次の何れかの形をしているときにいう:

例えば、論理式

は有界である:全称量化された変数 xA 上を走り, 存在量化された変数 yB の冪集合上を走る。他方で、

は有界でない。なぜなら y の量化が制限されていないからである。

内的集合[編集]

集合 x内的とは、ある に対して となることをいう。 ならば 自身が内的である。

超準解析の基本的な論理的枠組みを定式化しよう:

  • 拡大原理:写像 上で恒等的である。
  • 移行原理:いかなる有界論理式 に対しても、次の同値が成り立つ:
  • 可算飽和性:もし が空でない内的集合の減少列ならば、

超積を用いることで、このような写像 が存在することが示せる。 の元は標準的と呼ばれる。 の元は超実数と呼ばれる。

最初の帰結[編集]

記号 で非標準自然数を表すものとする。拡大原理によれば、これは の上位集合になっている。集合 は空でない。このことを見るためには、可算飽和性を次の内的集合の列に適用する:

は空でない減少列であるから、所望の結果を得る。

幾つかの定義から始める:超実数 無限に近いとは、次が成り立つことをいう:

超実数 無限小(infinitesimal)であるとは、それが 0 に無限に近いことである。例えば、もし が自然数でない超自然数、つまり、 の元であるならば、 は無限小である。超実数 限定(limited)または有限(finite)とは、その絶対値がある標準自然数で抑えられる(より小さい)ことである。有限超実数の全体は、全ての実数を含むような、 の部分環を成す。この環において、無限小超実数の全体はイデアルを成す。

有限超実数の成す集合や無限小超実数の成す集合は 外的な部分集合である。これの意味するところは(実際的な場面においては)内的集合に限定された有界量化は、これらの集合を亙ることはできないということである。

:超実平面 は内的であり、平面ユークリッド幾何のモデルである。他方、各座標を有限値に限定したもの(デーン平面の類似)は外的であり、平行線公準を破る。例えば を通り無限小の傾きを持つどんな直線も 軸と平行である。

定理. いかなる有限超実数 も、ある一意的な標準実数 に無限に近い。これにより定まる写像 は有限超実数の成す環から への環準同型になっている。

この写像 もまた外的である。

超実数の標準部を考えるひとつの方法はデデキント切断の言葉を用いることである;どんな有限超実数 も、 未満からなる標準実数の集合 と、 より大きい超準実数からなる集合 の対 を考えることによって、切断を定める。この切断に対応する(一意的な)実数は の標準部の条件を満たすことが確かめられる。

連続性の直観的な特徴付けとして次のものがある:

定理. 区間 上の実数値関数 が連続であるのは、区間 内のどんな超実数 に対しても が成り立つとき、かつそのときに限る。(詳しく微小連続の項を参照)

同様に、

定理. 実数値関数 が実数値 において微分可能であるのは、任意の無限小超実数 に対して、標準部

が存在し(つまり有限値で)かつ に依存しないとき、かつそのときに限る。このとき は実数であり、 における微分となる。

κ-飽和[編集]

飽和原理はより高次の基数を許すことによって「改良」することができる。モデルが -飽和であるとは、有限交叉性を持つ内的集合の族で のときには必ず次が成り立つことをいう:

この原理は有用である。例えば、位相空間 において、全ての標準的な基本近傍の共通部分(モナド)が自明でないことを保証するために -飽和性を用いることができる。[25]より精密には -飽和性があれば十分である。ここで 指標を表す。実数全体 第一可算であるので、初等的な解析学に関する限り、可算飽和性があれば十分なのである。

いかなる基数 に対しても、( を固定する毎に)-飽和的な拡大を構成できる。[26]

関連項目[編集]

資料[編集]

参照文献[編集]

  1. ^ Nonstandard Analysis in Practice. Edited by Francine Diener, Marc Diener. Springer, 1995.
  2. ^ Nonstandard Analysis, Axiomatically. By V. Vladimir Grigorevich Kanovei, Michael Reeken. Springer, 2004.
  3. ^ Nonstandard Analysis for the Working Mathematician. Edited by Peter A. Loeb, Manfred P. H. Wolff. Springer, 2000.
  4. ^ 森毅 『[新装版]指数・対数のはなし』 東京図書、2006年、18頁。ISBN 978-4-489-00726-2
  5. ^ 斎藤正彦 『数のコスモロジー』 筑摩書房〈ちくま学芸文庫Math&Science〉、2007年、105頁、下から6行目
  6. ^ Non-standard Analysis. By Abraham Robinson. Princeton University Press, 1974.
  7. ^ Abraham Robinson and Nonstandard Analysis: History, Philosophy, and Foundations of Mathematics. By Joseph W. Dauben. www.mcps.umn.edu.
  8. ^ a b Robinson, A.: Non-standard analysis. North-Holland Publishing Co., Amsterdam 1966.
  9. ^ Heijting, A. (1973) Address to Professor A. Robinson. At the occasion of the Brouwer memorial lecture given by Prof. A.Robinson on the 26th April 1973. Nieuw Arch. Wisk. (3) 21, pp. 134—137.
  10. ^ Robinson, Abraham (1996). Non-standard analysis (Revised ed.). Princeton University Press. ISBN 0-691-04490-2. 
  11. ^ Curt Schmieden and Detlef Laugwitz: Eine Erweiterung der Infinitesimalrechnung, Mathematische Zeitschrift 69 (1958), 1-39
  12. ^ a b H. Jerome Keisler, Elementary Calculus: An Infinitesimal Approach. First edition 1976; 2nd edition 1986: full text of 2nd edition
  13. ^ a b Edward Nelson: Radically Elementary Probability Theory, Princeton University Press, 1987, full text
  14. ^ a b Sergio Albeverio, Jans Erik Fenstad, Raphael Høegh-Krohn, Tom Lindstrøm: Nonstandard Methods in Stochastic Analysis and Mathematical Physics, Academic Press 1986.
  15. ^ a b Edward Nelson: Internal Set Theory: A New Approach to Nonstandard Analysis, Bulletin of the American Mathematical Society, Vol. 83, Number 6, November 1977. A chapter on Internal Set Theory is available at http://www.math.princeton.edu/~nelson/books/1.pdf
  16. ^ Vopěnka, P. Mathematics in the Alternative Set Theory. Teubner, Leipzig, 1979.
  17. ^ Allen Bernstein and Abraham Robinson, Solution of an invariant subspace problem of K. T. Smith and P. R. Halmos, Pacific Journal of Mathematics 16:3 (1966) 421-431
  18. ^ P. Halmos, Invariant subspaces for Polynomially Compact Operators, Pacific Journal of Mathematics, 16:3 (1966) 433-437.
  19. ^ T. Kamae: A simple proof of the ergodic theorem using nonstandard analysis, Israel Journal of Mathematics vol. 42, Number 4, 1982.
  20. ^ L. van den Dries and A. J. Wilkie: Gromov's Theorem on Groups of Polynomial Growth and Elementary Logic, Journal of Algebra, Vol 89, 1984.
  21. ^ Manevitz, Larry M.; Weinberger, Shmuel: Discrete circle actions: a note using non-standard analysis. Israel J. Math. 94 (1996), 147--155.
  22. ^ Capinski M., Cutland N. J. Nonstandard Methods for Stochastic Fluid Mechanics. Singapore etc., World Scientific Publishers (1995)
  23. ^ Cutland N. Loeb Measures in Practice: Recent Advances. Berlin etc.: Springer (2001)
  24. ^ Gordon E. I., Kutateladze S. S., and Kusraev A. G. Infinitesimal Analysis Dordrecht, Kluwer Academic Publishers (2002)
  25. ^ Salbany, S.; Todorov, T. Nonstandard Analysis in Point-Set Topology. Erwing Schrodinger Institute for Mathematical Physics.
  26. ^ Chang, C. C.; Keisler, H. J. Model theory. Third edition. Studies in Logic and the Foundations of Mathematics, 73. North-Holland Publishing Co., Amsterdam, 1990. xvi+650 pp. ISBN 0-444-88054-2

参考文献[編集]

外部リンク[編集]