関数 (数学)

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数学における関数（かんすう、英語: function）とは、ある変数に依存して決まる値あるいはその対応を表す式のことである。この言葉はライプニッツによって導入された。その後定義が一般化されていき、現代的には数の集合に値をとる写像の一種であると理解される。

日本語としての関数はもともと「函数」と書く。これは英語 function の中国における訳語[note A]である函数（ハンスー）をそのまま輸入したものであるが、「函」が漢字制限による当用漢字（その後の常用漢字）に含まれなかったことから1950年代以降、同音の「関」へと書き換えがすすめられた。

目次

定義

二つの変数 x と y があり、入力 x に対して、出力 y の値を決定する規則（x に特定の値を代入するごとに y の値が確定する）が与えられているとき、変数 y を「x を独立変数とする関数」あるいは簡単に「x の関数」という。対応規則を明示するときは、適当な文字列（特に何か理由がなければ、function の頭文字から f が選ばれることが多い）を使って

y = f(x)

のように対応規則に名前を付与する。x の関数 y を f(x) と書いて、x = a を代入したときに決まる関数の値を f(a) と表すのである。しかしここで、定数関数の例に示されるように、個々の y の値について対応する x の値が一つに決まるとは限らないことに注意しなければならない。この f(x) という表記法は18世紀の数学者オイラーによるものである。オイラー自身は、変数や定数を組み合わせてできた数式のことを関数と定義していたが、コーシーは上に述べたように、 y という変数を関数と定義した。

y が x の関数であることの別の表現として、変数 y は変数 x に従属するともいい、y を従属変数 (dependent variable) と言い表す。独立変数がとりうる値の全体（変域）を、この関数の定義域 (domain) といい、独立変数が定義域のあらゆる値をとるときに、従属変数がとりうる値（変域）を、この関数の値域 (range) という。

関数の値域は実数 R や複素数 C の部分集合であることが多い。値域が実数の集合となる関数を実数値関数 (real valued function) といい、値域が複素数の集合となる関数を複素数値関数 (complex valued function) という。それぞれ定義域がどのような集合であるかは問わないが、定義域も値域も実数の集合であるような関数を実関数 (real function) といい、定義域も値域も複素数の集合であるような関数を複素関数 (complex function) という。

現代的解釈

ディリクレは、 x と f(x) の対応関係に対して一定の法則性を持たせる必要は無いとした。つまり、個々の独立変数と従属変数の対応そのものが関数であり、その対応は数式などで表す必要はないという、オイラーとは異なる立場をとっている。

集合論的立場に立つ現代数学では、ディリクレのように関数を対応規則 f のことであると解釈する。それは二項関係の特別の場合として関数を定義するということであり、関数を集合（特に実数全体の集合 R）から「数」のつくる集合への写像であると捉えるということである。よって、写像に用いる言葉をそのまま流用することがある：

などを挙げることができるだろう。一方で、関数は一般の写像とは異なる性質も持つ。たとえば、像による演算が定義できることである： x を任意として、

  • (f + g)(x): = f(x) + g(x),
  • (f − g)(x): = f(x) − g(x),
  • (fg)(x): = f(x)g(x),
  • (f / g)(x): = f(x) / g(x)

などが挙げられる。

関数の例

  • 一次関数：f(x) = ax + b （a, b は定数, a ≠ 0）。
    • とくに、b = 0 のとき線型写像、a = 1 かつ b = 0 のとき恒等関数（恒等写像、identity）になる。
  • 二次関数：f(x) = ax2 + bx + c （a, b, c は定数で a ≠ 0）。
  • 指示関数：
    \chi_A(x) = \begin{cases} 1 & (x \in A), \\ 0 & (x \notin A). \end{cases}

多変数関数と多価関数

複数の変数によって値が決定される関数を多変数関数という。これは複数の数の集合たちの直積集合から数の集合への写像であると解釈される。ベクトルの集合を定義域とする独立変数をもつ関数と解釈することもある。n 個の変数で決まる関数であれば、n 変数関数とも呼ばれ

y = f(x_1,x_2, \ldots,x_n)

のように書かれる。例えば

y = x_1^2 + x_2^2

は二変数関数である。

一つの入力に複数の出力を返すような対応規則を関数の仲間として捉えるとき多価関数 (multi-valued function) という。常に n 個の出力を得る関数は n 価であるといい、その n を多価関数の価数と呼ぶ。例えば正の実数にその平方根を与える操作は正と負の二つ値を持つので、二価関数である。多価関数に対し、普通の一つの値しか返さない関数は一価関数といわれる。

多変数関数は独立変数がベクトルに値をとるものと解釈できるということを上に述べたが、逆に従属変数がベクトルの値を持つような写像も考えられ、それをベクトル値関数という。ベクトル値関数が与えられたとき、像のベクトルに対してその各成分をとり出す写像を合成してやることにより、通常の一価関数が複数得られる。つまり、定義域を共有するいくつかの関数を一つのベクトルとしてまとめて扱ったものがベクトル値関数であるということができる。

一つの例として、実数全体 R で定義された二価の関数

f(x) = \pm\sqrt{1+x^2}

はベクトル値関数

f\colon \mathbb{R} \to \mathbb{R}^2;\ x \to f(x) = (\sqrt{1+x^2}, - \sqrt{1+x^2})

として扱うことができる。また、定義域の "コピー" を作って定義域を広げてやることで、その拡張された定義域上の一価の関数

f\colon A \sqcup B \to \mathbb{R} \quad(A=B=\mathbb{R})
f(x)=\begin{cases} -\sqrt{1+x^2} & (x\in A)\\ \sqrt{1+x^2} & (x\in B) \end{cases}

と見なすこともある。複素変数の対数関数 ln は素朴には無限多価関数であるが、これを ln のリーマン面上の一価関数と見なすなど、定義域を広げて一価にする手法は解析的な関数に対してしばしば用いられる。

陽表式と陰伏式

多変数方程式がいくつかの関数関係を定義することもある。例えば

F(x,y) = 0

のような式が与えられているとき、x と y は独立に別々の値をとることはできない。x に勝手な値を与えるならば、y は x の値のよってとりうる値の制約を受けるからである。このことを以って、独立変数 x と従属変数 y が対応付けられると考えるとき、方程式 F(x, y) = 0 は x の関数 y を陰 (implicit) に定めるといい、y を x の陰伏関数または陰関数 (implicit function) という。これに対して、y = f(x) と表されるような関数関係を、y は x の陽関数 (explicit function) である、あるいは y は x で陽 (explicit) に表されているなどと言い表す。

陰伏的な関数関係が F(x, y) = 0 によって与えられていて、陽な関数関係 y = f(x) が適当な集合 D を定義域として F(x, f(x)) = 0 を満たすなら、この陽関数 y = f(x) は D 上で関係式 F(x, y) = 0 から陰伏的に得られるという。関数の概念を広くとらず、一価で連続である場合や一価正則な場合などに考察を限ることはしばしば行われることであるが、そのような仮定のもとでは陰関数から陰伏的に得られる陽関数は一つとは限らず、一般に一つの陰関数は（定義域や値域でより分けることにより）複数の陽関数に分解される。このとき、陰伏的に得られた個々の陽関数をもとの陰関数の枝という。また、陰関数の複数の枝を総じて扱うならば、陰関数の概念から多価関数の概念を得ることになる。例えば、方程式

y2 − x2 = 1

が定める陰関数 y は全域で 2 つの一価連続な枝

f_1(x) = \sqrt{1+x^2},
f_2(x) = -\sqrt{1+x^2}

をもつ二価関数である。

また、媒介変数を導入して関係式を分解し、各変数を媒介変数の陽関数として表すことによって、陰関数を表すこともある。例えば、方程式 2x − 3y = 0 は、媒介変数 t を導入して

\begin{cases} x = 3t \\ y = 2t \end{cases}

と表すことができるが、これによって y と x の陰伏的な関数関係が表されていると考えるのである。

一般化

数列

有限集合からの関数は実質的に数の組あるいは数列と呼ばれるものになる（適当な演算をいれてベクトルと見ることもできる）。それはつまり、集合の各元に序列を与えて {1, 2, ..., n} と並べるとき、k = 1, 2, ..., n に対して xk = x(k) を対応付ける関数 x を

(x_1,x_2,\ldots,x_n) \in \mathbb{R}^n

のかたちに表すのである。これは有限列であるが、無限列

(s_n)_{n\in\mathbb{N}} \in \mathbb{R}^\mathbb{N}

を考えれば、それは各自然数 n に対して、数 sn を対応させる

s\colon \mathbb{N} \to \mathbb{R};\,n \mapsto s_n

という関数を考えていることに他ならない。もっと一般に数の族を考慮に入れれば、通常の実関数 f = f(x) を x を添字に持つ実数の族

(f_x)_{x\in\mathbb{R}} \in \mathbb{R}^\mathbb{R}

と読みかえることができる。

汎関数

関数を変数に取る関数はとくに汎関数 (functional) と呼ばれる。特にある集合上の関数の作るベクトル空間から係数体への線型写像を線型汎関数 (linear functional) という。文脈によっては単に汎関数といえば線型汎関数を指すこともある。たとえば積分

F(f)=\int_{-\infty}^\infty f(x)dx

は可積分関数 f を変数と見なして様々に取り替えることによって汎関数 F を与える。積分は線型性を持つから、F は線型汎関数である。

有限個の変数の組を考えることも関数の一種であったから、汎関数

\mathcal{F}(f)=\mathcal{F}(f(x))

はひとつまたは複数のパラメータで添字付けられる一般には無限個の変数をもつ関数の一種

\mathcal{F}\left((f_x)_{x\in\mathbb{R}}\right)

と見なすことができる。また、有限次元ベクトル空間は基底を固定することにより、その座標で表される係数体の有限個の直積と同型であるから、そこからの汎関数は多変数関数

F(x_1,x_2,x_3, \ldots, x_n)

と同一視できる。

関数に対して数を対応付けるという汎関数の概念は、さらに関数に関数を対応付ける作用素の概念に一般化される。

超関数

シュワルツの超関数（分布、distribution）の理論は、汎関数の一種（コンパクトな台を持つ無限階微分可能関数の作る空間上の連続線型汎関数）として超関数を定義する。通常の局所可積分関数に測度を掛けて積分作用素として見ると、この意味で超関数と見なされる。

この様な連続線型汎関数を用いた定式化の方向で distribution よりも大きいクラスとしては、超分布 (ultradistribution) が知られている。

一方、佐藤の超関数 (hyperfunction) は層係数コホモロジー等の代数的手法を用いて定義される。この代数的手法の解析学への導入により、線型微分方程式系の代数化である D 加群の理論等、代数解析学と呼ばれる分野が開かれた。以上の超関数のクラスは局所化可能、言い換えれば層を成すという事が重要である。

関連項目

脚注

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  1. '  函数という語の初出といわれる『代微積拾級』（1859年）には「凡此變數中函彼變數，則此為彼之函數，」[1]とあり、また変数に天、地などの文字を用いて「天 = 函(地)」という表記もある。従属変数（の表現）に独立変数が容れられている[2]という意味である。

参考文献

  1. ^ 「function.doc」 東海大學數學系、2007年11月30日閲覧。
  2. ^ 片野善一郎　『数学用語と記号ものがたり』　裳華房、2003年、 ISBN 978-4785315337。

外部リンク

ウィキブックス
ウィキブックスに関数関連の教科書や解説書があります。

"http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%96%A2%E6%95%B0_(%E6%95%B0%E5%AD%A6)" より作成

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