開区間，閉区間の意味と関連する話題

開区間，閉区間の定義

• 区間とは，数直線上のひとつながりの領域のこと。

• 開区間とは，$\{x\mid a <x <b\}$ という形の集合のこと。
  $a$ と $b$ は含まない，つまり端っこに穴があいているイメージ。丸括弧を使って $(a,b)$ と表記する。

• 閉区間とは，$\{x\mid a \leq x \leq b\}$ という形の集合のこと。
  $a$ と $b$ を含む，つまり端っこが閉じているというイメージ。角括弧を使って $[a,b]$ と表記する。

• 半開空間とは，$\{x\mid a \leq x <b\}$ または $\{x\mid a <x \leq b\}$ という形の集合。端っこを片方のみ含む。あまり登場しない。$[a,b),(a,b]$ と表記する。

なお，$a=-\infty$ または $b=\infty$ としたものを区間とみなすかどうかは流儀によります。 $\infty$ や $-\infty$ を考える場合，記号は丸括弧を用います。例えば正の実数全体の集合は $(0,\infty)$ と書きます。

開区間と閉区間の記号の覚え方

端を含むのは $(a,b)$ と $[a,b]$ のどちらだっけ…？　とならないように，私は以下のように覚えています。

• $(a,b)$ は角の部分を含んでいない → 両端の $a$ と $b$ を含まない → 開区間
• $[a,b]$ は角の部分を含んでいる → 両端の $a$ と $b$ を含む → 閉区間

関数の最大値・最小値

開区間，閉区間に関して意識しておくべきポイントとして「関数の最大値が存在するか」があります。

開区間は端っこが途切れているので，開区間上で定義された関数は最大値や最小値を持たないことがあります。

一方，閉区間は端っこに穴がないので，（有界）閉区間上で定義された連続関数は必ず最大値や最小値を持ちます（重要な定理）。

開区間，閉区間の拡張

ここから少し難しくなります。「開」「閉」とは何かざっくりと説明します。

• 開集合とは
  集合内の任意の点について，その点の十分近くの点もその集合に属するとき，その集合を開集合と言います。開区間は開集合です。

• 閉集合とは
  集合内の任意の収束する点列の収束先がその集合に属するとき，その集合を閉集合と言います。閉区間は閉集合です。

なお， $A$ が開集合 $\iff$$\overline{A}$ が閉集合という定理が知られています（点列ではなくこれを閉集合の定義とすることも多い）。

空集合，全体集合は開かつ閉

• 空集合 $\emptyset$ は開集合かつ閉集合です。
• 実数全体の集合 $\mathbb{R}$ は開集合かつ閉集合です。

「開」と「閉」を両方備えているというのは不思議に感じますが，以下のように確認できます。

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