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陰関数定理と逆関数定理のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

陰関数定理と逆関数定理

ナンブキトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では陰関数定理と逆関数定理を証明する. この文章では断りのない限り,ノルムの記号は絶対値と同じ記号で表してしまう. またユークリッド空間にはノルムが常に備わっているとするが,特に具体的になんのノルムであるかは断りがない限り明示しない.

1 準備

定義 1.

A:kl を行列とする. この時Aの作用素ノルムを

|A|=supxk,x0|Ax||x|

と定義する. このノルムの良いところは |Ax||A||x|が成り立つところである.

まず有限次元のノルムは全て同値であることを紹介する. 証明は[4]などを参照のこと.

補題 2.

Vを有限次元実線型空間とする. この時V上のノルムは全て同値になる.つまり, そして||1||2Vの上のノルムとするとあるN>0が存在して任意のxVについて

N1|x|1|x|2N|x|1

が成り立つ.

このことから以下で定義する全微分可能性は有限次元空間においてはどのノルムで定義しても同値であることがわかる.

定義 3.

k,l1 とし,Ukを開集合とする. そしてf:Ulとする. このときfaU全微分可能 であるとは 線型写像111本来は接空間の間の線型写像A:TaUTf(a)lと書くべきかもしれないが,解析学だとユークリッド空間とその接空間を同一視する.また線型写像ではなく,行列と言ってもよい.なぜなら有限次元空間の間の線型写像は行列と同一視されるからである. A:kl が存在し

limxa,xa|f(x)f(a)A(xa)||xa|

が成り立つときにいう. このときfは点aにおいて 任意の方向に偏微分可能であり,さらに Aは行列として

A=(fjxi(a))i=1,,k,j=1,,l

と表される. このAのことをfの導関数であるとか ヤコビ行列だとか呼ぶ. ここで f=(f1,,fl)と定義する. そしてこのAをこの文章では A=(𝐃f)(a)と表す.

初等的な事実として以下が成り立つ.

定理 4.

k,lge1 とし,Ukを開集合とする. そしてf:Ulとする. このとき fC1級ならば fU内の任意の点で全微分可能である. またこのとき𝐃f:Uk×l; x(𝐃f)(x) は連続写像である.

定義 5.

k,lge1 とし,Ukを開集合とする. そしてf:UlC1級とする. このとき関数e:U×Ul

e(x,y)=f(x)f(y)(𝐃f)(y)(xy)

と定義する. この関数は連続関数であることに注意しよう. そして U×U上の 関数E:U×Ul

E(x,y)={e(x,y)|xy|xy;0x=y

と定義する.

この定義のもと次が成り立つ.

補題 6.

k,l1 とし,Ukを開集合とする. そしてf:UlC1級とする. このとき任意のaUについて

limxa,xae(x,a)|xa|=limxaE(x,a)=0.

が成り立つ.

証明.

全微分可能性の定義から明らか. ∎

補題 7 (有限増分の定理).

l1 とし,[a,b]とする. η>0とする. そしてf:[a,b]l(a,b)上で全微分可能であるとする. このときもしもM>0が任意のx(a,b)について |𝐃f(x)|Mを満たすならば

|f(b)f(a)|M(ba)

が成り立つ.

証明.

今から任意のx[a,b]ϵ>0について

(1) |f(x)f(a)|(M+ϵ)(xa)+ϵ

が成り立つことを示す. 式 (1) が成り立つようなx[a,b]全体を Sとおく.ϵ>0から aSがわかるのでSは空ではない. そしてc=supSとおく. fの連続性からcSである. よって c=bを示すことができれば補題の証明は終わる. 矛盾を導くためにc<bと仮定する.

Case 1. c=aの場合: この場合,fの連続性から十分小さいη>0 を取ればt=a+ηについて |f(t)f(a)|ϵが成り立つ. このとき0<(M+ϵ)(ta)なので

|f(t)f(a)|ϵ(M+ϵ)(ta)+ϵ

がわかる. つまりtSであるが,a<tなのでa=c=supS に矛盾する.

Case 2. a<cの場合: 関数f(a,b)上で全微分可能なので 特にcで全微分可能である. よって η>0 を十分小さくとれば,t=c+ηについて

|f(t)f(c)(𝐃f)(c)(tc)|ϵ(tc)

となる. そしてcSから |f(c)f(a)|(M+ϵ)(ca)+ϵ である.以上を踏まえると

|f(t)f(a)| |f(t)f(c)|+|f(c)f(a)|
|(𝐃f)(c)(tc)|+ϵ(tc)+(M+ϵ)(ca)+ϵ
M(tc)+ϵ(tc)+(M+ϵ)(ca)+ϵ=(M+ϵ)(ta)+ϵ

が成り立つ. つまりtSであるが, ここでc<t なのでc=supS矛盾する.

以上のいずれの場合分けでも矛盾が導かれたので,c=b である.つまり

|f(b)f(a)|(M+ϵ)(ba)+ϵ

が成り立つので,ϵ0 とすれば

|f(b)f(a)|M(ba)

が成り立つ. ∎

補題 8.

k,l1 とし,Ukを開集合とする. そしてf:UlC1級とする. するとE:U×UlU×U上で連続である.

証明.

この証明では行列には作用素ノルムを導入して考える. aUをとる.e(x,y)は定義からU×U上連続であるから このときlim(x,y)(a,a)|E(x,y)|=0 となることを示せば良い. そして ϵを任意に与え, aの凸な開近傍N を十分小さく取り以下が成り立つようにする.

  1. (1)

    任意のx,yNに対して 任意のt[0,1]についてtx+(1t)yUが成り立つ.

  2. (2)

    任意のz1,z2Nについて |f(z1)f(z2)|ϵ が成り立つ.

x,yUを任意にとる.ここでxyと仮定してもよい. そして F:[0,1]l

F(t)=f(y+t(xy))(𝐃f)(a)(y+t(xy))

と定義する. このとき

ddtF(t)=((𝐃f)(y+t(xy))(𝐃f)(y))(xy)

となる.さて

Mx,y=supt[0,1]|((𝐃f)(y+t(xy))(𝐃f)(y))|

とおくと 補題 7より

|e(x,y)| =|f(x)f(y)(𝐃f)(y)(xy)|
=|F(1)F(0)||xy|Mx,y

である. ここでNの取り方の(2)から Mx,yϵである.ゆえに

|E(x,y)|Mx,yϵ

が成り立つのでEが連続であることがわかる. ∎

以下の事実を思い出そう. 証明[5]などを参照のこと.

定理 9 (パラメータ付きの不動点定理).

(X,d)を完備距離空間、Tを位相空間とし写像 f:X×TXが連続であるとし、f(x,t)=ft(x)と書くことにする。さらに

q[0,1),x,yX,tT,d(ft(x),ft(y))qd(x,y)

を充たし(qtに依存してないことに注意せよ。)

xXft(x)t

であるとする。(このときxを固定してft(x)tについて有界で連続になる。)このとき通常のBanachの不動点定理から存在と唯一性が示されるt毎のftの不動点をh(t)と書くことにし、写像h(t):TXとみなしたとき、h(t)は連続写像である。

2 陰関数定理

不動点定理(定理9)を用いて陰関数定理を証明する. その前にUn×m としてF:Umについて Unの成分(nへの射影)をx方向, mの成分(mへの射影)をy方向と呼ぶことに しよう.そしてz=(x,y)Uに対して

(𝐃xF)(z)=(Fjxi(z))j=1,,m,i=1,,n
(𝐃yF)(z)=(Fjyi(z))i,j=1,,m

と定義する.(𝐃yF)(z)が正方行列であることに注意せよ. また,行列として

(𝐃F)(z)=((𝐃xF)(z)|(𝐃yF)(z))

が成り立つ. これをもとにして (a,b)Uに対して(𝐃F)(a,b)(x,y)m+nに作用すると

(𝐃F)(a,b)(x,y)=(𝐃xF)(a,b)x+(𝐃yF)(a,b)y

が成り立つ. するとF(a,b)で全微分可能ならば

F(x,y)=F(a,b)(𝐃xF)(a,b)x(𝐃yF)(a,b)y+e

となる.

定理 10.

Un×m は開集合でF:Umは点(x0,y0)U

F(x0,y0)=0

g(x0)=y0

det((𝐃yF)(x0,y0))0

を満たすとする. この時x0の開近傍O1y0の開近傍O2と 連続関数g:O1O2が存在して

O1×O2U

xO1,F(x,g(x))=0.

を満たす. さらにO1を十分小さくとれば (𝐃yF)(x,g(x))が常に可逆行列になり,gC1級で

(𝐃g)(x)=(𝐃yF)(x,g(x))1(𝐃xF)(x,g(x))

が成り立つ.

証明.

まず行列LL=(𝐃yF)(x0,y0)とおく.そして H:Um

H(x,y)=yL1F(x,y)

とおく. 明らかにHは連続関数になる. 以下ではHx(y)=H(x,y) と書くときもある. さて, α>0に対して

Vα={(x,y)U|(x,y)(x0,y0)|<α}

とおく. α>0を十分小さく取り, VαUとなるようにする. このとき(x,y1),(x,y2)Vαを満たすx,y1,y2 について

|Hx(y)Hx(y2)|=|y1L1F(x,y1)y2+L1F(x,y2)|
=|L1(F(x,y2)F(x,y1)L(y2y1))|
|L1||(F(x,y2)F(x,y1)L(y2y1))|
=|L1||e((x,y2),(x,y1))|.

が成り立つ.ここで|L1|L1の作用素ノルムとする.作用素ノルムでなくても,定数倍がかかるだけなので以下の議論には本質的に関係ない. まとめると,つまり(x,y1),(x,y2)Vαを満たすx,y1,y2 について

(2) |Hx(y)Hx(y2)||L1||e((x,y2),(x,y1))|.

が成り立つ. ϵ>0を任意に与えた時に αを十分小さくとれば (x,y1),(x,y2)Vαならば

|e((x,y2),(x,y1))|ϵ|(x,y1)(x,y2)|=ϵ|y1y2|

となる. ところで,δ1>0η>0を十分小さくとれば |xx0|<δ1|yy0|ηを満たすならば (x,y)Vαが成り立つようにできる(積位相の定義). よってϵ<12|L1|ぐらいに十分小さくとれば, |xx0|<δ1|y1y0|η|y2y0|η が成り立つならば

|e((x,y2),(x,y1))|12|y1y2|.

となる. さらにHは連続なのでδ2>0を十分小さくとれば x|xx0|<δ2を満たすとき

|H(x,y0)H(x0,y0)|<η2

が成り立つ. よってδ=min{δ1,δ2}とおけば xny1,y2m|xx0|<δ|y1y0|η|y2y0|ηが成り立つならば

|Hx(y1)Hx(y2)|12|y1y2|

|H(x,y0)H(x0,y0)|<η2.

が成り立つ. O1={xn|xx0|<δ}, O2={ym|yy0|<η}, A={ym|yy0|η} とおく. 必要ならδηを十分小さく取り

O1×AU

が成り立つとしてもよい. Hの定義域を制限して

H:O1×AUm

とする. F(x0,y0)=0からH(x0,y0)=y0 が成り立つことと δ,ηの取り方から

|Hx(y)y0|=|H(x,y)H(x0,y0)|
|H(x,y)H(x,y0)|+|H(x,y0)H(x0,y0)|
<12|yy0|+η2η.

なのでH(O1×A)Aであり,H

H:O1×AA

とみなせる. さて,Aはコンパクトであるから, 有界で完備な距離空間なのでパラメーター付きのバナッハの不動点定理(定理 9)の仮定を満たすので, 連続関数g:O1A

Hx(g(x))=g(x)

を満たすものが存在することがわかる.

H(x,y)=yL1F(x,y) なので

Hx(g(x))=g(x)F(x,g(x))=0

である. さらに

|Hx(y)y0|=|H(x,y)H(x0,y0)|
|H(x,y)H(x,y0)|+|H(x,y0)H(x0,y0)|
<12|yy0|+η2η.

の計算から |g(x)y0|<ηであるから gg:O1O2とみなせて,このような関数はO1上唯一存在する. 不動点の唯一性からg(x0)=y0もわかる. これで定理の前半が示された.

後半の微分可能性について調べよう. 集合 {(x,y)Udet((𝐃yF)(x,y))0} は開集合 なのでO1O2を小さくとれば (𝐃yF)(x,y)が可逆になることがわかる. さて, x1O1を任意に与え, y1=g(x1) とおき,

A=(𝐃xF)(x1,y1)
B=(𝐃yF)(x1,y1)

とおく. F(x1,y1)=F(x1,g(x1))=0であり,また Fはもちろん(x1,y1)で全微分可能であるから 任意の(x,y)Uについて

(3) F(x,y)=A(xx1)+B(yy1)+e((x,y),(x1,y1))

となり,また

(4) lim(x,y)(x1,y1)e((x,y),(x1,y1))|(x,y)(x1,y1)|=0.

が成り立つ. さてここで,後出しだが,n×m 上のノルムは, nmのノルムから誘導されるmaxノルムであるとする. すなわち|(a,b)|=max{|a|,|b|}ということである. 他のノルムでもどうせ同値なのであるが,簡単なのでこのように定めておくことにする.またnmのノルムは別になんでも構わない. 式 (3)と|(x,y)||x|+|y|からρ>0を十分小さくとれば, x,y|xx1|ρ|yy1|ρを満たすならば

(5) |e((x,y),(x1,y1))|12|B1|(|xx1|+|yy1|)

である. 式 (3)においてy=g(x)とおき変形すると

(6) g(x)g(x1)=B1A(xx1)+B1e((x,g(x)),(x1,g(x1)))

であり 式 (5)から,ρ>0を十分小さくとれば |xx1|ρを満たすxについて

(7) |e((x,g(x)),(x1,g(x1)))|12|B1|(|xx1|+|g(x)g(x1)|)

が成り立つ. そして 式 (6)からρ>0を十分小さくとれば |xx1|ρを満たすxについて

|g(x)g(x1)||B1A||xx1|+|B1||e((x,g(x)),(x1,g(x1)))|
|B1A||xx1|+12|xx1|+12|g(x)g(x1)|

なので,整理すると, |xx1|ρを満たすxについて

(8) |g(x)g(x1)|M|xx1|

となる.ここでM=|B1A|+1 である. maxノルムの定義と式 (8) から|xx1|ρを満たすxについて

|(x,g(x))(x1,g(x1))|M|xx1|

が成り立つ.これを用いると

limxx1|e((x,g(x)),(x1,g(x1)))||xx1| 1Mlimxx1|e((x,g(x)),(x1,g(x1)))||(x,g(x))(x1,g(x1))|
=1Mlim(x,y)(x1,y1)|e((x,y),(x1,y1))||(x,y)(x1,y1)|
=0.

となる. ゆえに 式 (6)から

limxx1|g(x)g(x1)+B1A(xx1)||xx1|=0

が成り立つ.これはgx1において全微分可能であり,

(𝐃g)(x1)=(𝐃xF)(x1,y1)(𝐃yF)(x1,y1)

であることを意味している. これで証明が終わる. ∎

注意.

以上の証明において重要なのはHの定義であるが,このようにおくのが少し不明である.ただ,Hy0のおけるy方向の微分は0になるので,どんな小さいリプシッツ係数でもy0の近くでリプシッツ条件を満たすようなるし, H(x0,y0)=y0にもなるので,このように定義したい気持ちを慮ることができる.

3 逆関数定理

陰関数定理を用いると逆関数定理が比較的簡単に証明できる. 実は逆関数定理を認めて用いれば陰関数定理も比較的簡単に証明できる.

補題 11.

n1とし, Unは開集合とする. そしてf:UnC1級関数とし, f(a)=bで,(𝐃f)(a)は可逆であるとする. このときaの開近傍Vが存在し, V上でfは単射になる.

証明.

aの開近傍Vを十分小さく取り,以下が成り立つようにする.

  1. (1)

    任意のxVについてdet((𝐃f)(x))0である.

  2. (2)

    M>0が存在して任意のxVについて |((𝐃f)(x))1|<Mが成り立つ.

  3. (3)

    ϵ=1/Mとして 任意の(x,y)V×Vについて|E(x,y)|ϵ が成り立つ.(これは補題 8からEが連続であることとE(a,a)=0から可能である)

背理法で証明する.fV上で単射ではないと仮定する. すると,x,yVが存在して xyf(x)=f(y)を満たす. L=(𝐃f)(y)とおく. このとき

0=f(x)f(y)=L(xy)+e(x,y)

となるのでE(x,y)ϵから |e(x,y)|ϵ|xy|なので

|xy||L1||e(x,y)|ϵ|L1||xy|

が成り立つ.つまり

1ϵ|L1|<1MM=1

なので矛盾する. よってfV上で単射である. ∎

定理 12.

n1とし, Unは開集合とする. そしてf:UnC1級関数とし, f(a)=bで,(𝐃f)(a)は可逆であるとする. このとき,aの開近傍V1Ubの開近傍V2n が存在してf:V1V2C1級微分同相である.つまりC1級関数g:V2V1fの逆関数になるものが存在する. そしてgの微分に関して

(𝐃g)(y)=((𝐃f)(g(y)))1

が成り立つ.

証明.

補題 11を用いて aの開近傍Nを十分小さく取り, N上でfは単射であるようにする. そして F:N×NnF(y,x)=yf(x) と定義すると, F(b,a)=0(𝐃xF)(a,b)=L なので(𝐃xF)(a,b)は可逆である. ゆえに 陰関数定理より aの開近傍V1Ubの開近傍V2nC1級関数g:V2V1が存在して F(y,g(y))=0g(b)=aが成り立つ. つまり任意のyV2について y=f(g(y))である. これはf:V1V2が全射であることを意味する. 証明の始まりでfの定義域を単射になるように小さくしたことを踏まえるとf:V1V2は全単射である.よって (連続かどうかはわからないけれど)逆写像が存在する. このとき任意のyO2について y=f(g(y))なのでf1(y)=g(y) なので,gfの逆写像であることがわかる. gの微分について合成の微分公式からわかる. ∎

注意.

陰関数定理と逆関数定理は適切に全微分を定義すればバナッハ空間に値をとる関数についても成り立つ.無限次元だとノルムの同値性など成り立たなくなるが,この文章の証明でノルムを恣意的に選んでいるのは直積にmaxノルムを採用している部分と Eの連続性を証明するときに作用素ノルムを使っている部分 なので,ほぼそのままの証明が適用できると思われる.

4 応用

定理 13 (開写像定理).

m,n1とする. Um×nを開集合とし f:UmC1級写像で点aU において rank(𝐃f)(a)=mとする. このときf(a)f(U)の内点となる.

証明.

m×m次行列Am×n次行列B を用いて (𝐃F)(a)=(AB)と 表すことにする. 適当にUの座標の順番を並べ替えて Aが可逆行列であるとしてもよい. F:U×nmF(x,y)=(f(x,y),y)と定義する. このとき

(𝐃F)(x,y)=((𝐃f)(x)0En)=(AB0En)

となる. いま,Aが可逆行列なので (𝐃F)(a)は可逆になる. よってFに逆関数定理を適応できて, aの開近傍M1×M2F(a)の近傍Wが存在して F:M1×M2Wは同相写像になる. 開集合V1mV2nV1×V2F(a)の開近傍となり, V1×V2W となるようにとれば,Fの定義から V1×V2F(M1×M2)=f(M1)×M2 となる.この式からV1f(M1)f(U) なのでf(a)f(U)の内点であることがわかる. ∎

命題 14 (沈め込み型の局所表示).

m,n1とする. Um×nを開集合とし f:UmC1級写像で点aU において rank(𝐃f)(a)=mとする. 写像πm:m×nmmへの射影とする. このとき点aの開近傍Vと 開集合Om×n そして同相写像ϕ:OVが存在して fϕ=πmとなる.

証明.

ϕ1:m×nm×n を座標の番号の入れ替えとして,次の条件を満たすものとする.

  1. (1)

    g=fϕ1とおいたときに m×m次行列Am×n次行列B を用いて (𝐃g)(a)=(AB)と 表すときに Aが可逆行列である.

線形代数の行列の階数の理論からこのようなϕ1 は存在する. そして F:ϕ11(U)×nmF(x,y)=(g(x,y),y)と定義する. このとき

(𝐃F)(x,y)=((𝐃g)(x)0En)=(AB0En)

となる. いま,Aが可逆行列なので (𝐃F)(a)は可逆になる. よってFに逆関数定理を適応できて, aの開近傍M1F(a)の開近傍M2 が存在してF:M1M2 が同相写像になる. そしてϕ2=F1と定義すると πmϕ21(x,y)=g(x,y) なので πmϕ2=g となるから ϕ=ϕ1ϕ2 とおけば定理は証明される. ∎

命題 15 (埋め込み型の局所表示).

m,n1とする. Umを開集合とし f:Um×nC1級写像で点aU において rank(𝐃f)(a)=mとする. 写像ιm:mm×nιn(x)=(x,0)で定義される埋め込みであるとする. このときf(a)の開近傍Vと開集合Om×nと 同相写像ϕ:VOが存在して, f1(V)上で ϕf=ιn が成り立つ.

証明.

ϕ1:m×nm×n を座標の番号の入れ替えとして,次の条件を満たすものとする.

  1. (1)

    g=ϕ1fとおいたときに m×m次行列An×m次行列B を用いて

    (𝐃g)(a)=(AB)

    と 表すときに Aが可逆行列である.

線形代数の行列の階数の理論からこのようなϕ1 は存在する. そして F:U×nm×nF(x,y)=(g(x),y)と定義する.

(𝐃F)(a,y)=(A0BEn)

である. このときAの可逆性から (𝐃F)(a,0)も可逆になるので逆写像定理より (a,0)の十分小さい開近傍 N(f(a),0)の十分小さい開近傍 MをとればF:NMは同相写像になる. そしてϕ2=F1と定義すると, ϕ2g(x,y)=F1F(x,0)=(x,0)=ιn なので定理は成り立つ. ∎

References

  • [1] ユルゲン・ヨスト著, 小谷元子訳, ポストモダン解析学, シュプリンガー・フェアラーク東京, 2000.
  • [2] 松本幸夫, 多様体の基礎, 東京大学出版会, 1988.
  • [3] 杉浦光夫, 解析入門II, 東京大学出版会, 1985.
  • [4] はてなブログ「電波通信」の記事「有限次元ベクトル空間のノルムは全部同値」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2015/10/22/170022
  • [5] はてなブログ「電波通信」の記事「バナッハの不動点定理」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2015/10/27/162651
  • [6] H. Cartan, Cours de Calcul Différentiel, Hermann, 1967.
  • [7] J. Dieudonné, Foundation of modern analysis, Academic Press, 1960.