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sin x / x の極限の計算問題

基本極限 lim(x→0) sin x/x = 1 を利用して、係数を含む極限を求める

この単元のポイント

公式と考え方

角が0へ近づくときの正弦と角の比は,弧度法で測ると1へ近づきます。係数の付いた式では,正弦の中の角と分母を同じ形にそろえ,残った倍率を外へ出します。0割る0を直接計算するのではなく,この基本極限へ帰着させる変形が要点です。

  • lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin x}{x}=1 です(xx はラジアン)。ラジアンは,弧の長さを半径でわった角の測り方です。この単位で基本極限が1になります。度数法の数値を同じ式にそのまま入れると定数因子が変わるため,角の単位も計算条件として確認します。
  • lim⁡x→0sin⁡axbx=ab\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin ax}{bx}=\dfrac{a}{b} です(b≠0b\neq 0)。a≠0a\neq 0 のときは,sin⁡axax⋅ab\dfrac{\sin ax}{ax}\cdot\dfrac{a}{b} と変形します。a=0a=0 のときは,分子が0なので,極限は0です。角が定数倍されても,その定数が0でなければ変数と一緒に0へ進みます。分母へ同じ角を作るために,外へ補う係数が必要です。分子の角を変えず分母だけを変更した式は,元の値と同じとは限りません。
  • lim⁡x→0tan⁡xx=1\lim_{x\to 0}\dfrac{\tan x}{x}=1 も成り立ちます。正接は正弦を余弦でわる形へ直します。基本極限と余弦の極限1を組み合わせると,角との比も1へ進みます。ここでも0近傍の0でない点で,分母となる余弦が0を避けることを確認できます。
  • 三角関数の角は,特に断らない限り,弧度法(ラジアン)で表します。係数の比を出したら,元の角に対応する数を分子側,元の分母の係数を分母側に置けているか確認します。負の係数も同じ変形で処理できますが,外へ出した符号を消さないようにします。基本極限にする部分と,残る定数部分を分けて書きましょう。
例題と解き方

lim⁡x→0sin⁡3xx\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin 3x}{x} を求めなさい。

  1. sin⁡3xx=3⋅sin⁡3x3x\dfrac{\sin 3x}{x}=3\cdot\dfrac{\sin 3x}{3x} と変形します。
  2. 3×1=33\times 1=3 です。
  3. t=3xt=3x と見れば t→0t\to0 で,角と分母が同じ比は sin⁡t/t→1\sin t/t\to1 です。外の3が残るため答えは3。分母を3倍した分を,外側で補っていることを確認します。

lim⁡x→0sin⁡2x5x\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin 2x}{5x} を求めなさい。

  1. 25⋅sin⁡2x2x\dfrac{2}{5}\cdot\dfrac{\sin 2x}{2x} と変形します。
  2. 25\dfrac{2}{5} です。
  3. sin⁡(2x)/(2x)→1\sin(2x)/(2x)\to1,外に残る倍率は 2/52/5 です。したがって求める極限は 2/52/5 であり,分母5を外したり,逆比 5/25/2 にしたりしないようにします。
よくある間違い
  • 誤り:sin⁡(3x)/x→1\sin(3x)/x\to1 → 正しくは3です。正弦の角3倍に合わせて,外側にも倍率3が必要です。
  • 誤り:sin⁡(2x)/(5x)\sin(2x)/(5x) の極限を 5/25/2 とする → 正しくは 2/52/5 です。角の係数が分子側に残ります。
  • 誤り:sin⁡x∘/x→1\sin x^{\circ}/x\to1 → 正しくは π/180\pi/180 です。度の数値はまず πx/180\pi x/180 ラジアンへ換算します。

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