次の極限値を求めよ。ただし、 は実数とする。
の極限
を使って三角関数を含む極限を求められる
前提
- 関数の極限 (数学III 極限)
- 弧度法と単位円による三角関数 (数学II 三角関数)
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- 弧度法と単位円による三角関数 (数学II 三角関数)
説明
を弧度法の角とするとき、 で と の比が 1 に近づく、という事実 を学びます。 や のように、そのまま代入すると になる三角関数の極限は、式を変形してこの形を作れば求められます。三角関数の微分を導くときの土台にもなる、重要な極限です。
なぜそうしてよいのか
まず で考えます。単位円(中心 O、半径 1)上に点 と、 となる点 をとり、直線 OP と点 A での接線 の交点を とします。図の中で「三角形 OAP 扇形 OAP 三角形 OAT」となっているので、面積を比べると 、つまり です。扇形の面積が となるのは、 を弧度法で測っているからです。
各辺を で割ると となり、逆数をとると(すべて正なので不等号の向きが逆になって) が得られます。 のとき なので、はさみうちにより です。
のときは とおくと です。よって左側極限も 1 になり、両側の極限が一致するので が成り立ちます。逆数をとった も同時に成り立ちます。大切なのは「 の中身」と「分母」が同じ式で、しかもそれが 0 に近づくことです。つまり なら と使えます。
手順
代入して の形になること、そして の中身が 0 に近づくことを確かめる
の中身(たとえば )を見て、目標の形 を決める。 を含むときは のように に直しておく
分母が の中身と一致するように、式の値を変えずに定数や式を掛けて割る。例:()
とおくと のとき となるので、 を使い、残りの部分の極限と掛け合わせる
例題
極限 を求めよ。
例題の解答
手順1: を代入すると分子も分母も 0 になり、 の形である。 の中身 も 0 に近づく。
手順2: の中身は なので、目標の形は である。
手順3:分母を にそろえるため、次のように変形する。
手順4: とおくと、 のとき だから である。よって
答え:
よくある誤り
としてしまう誤り。分母が の中身と一致していないので、この公式はそのまま使えない。正しくは である。
でも としてしまう誤り。公式が使えるのは中身が 0 に近づくときだけである。 では なので、はさみうちにより となる。
と変形してしまう誤り。 は中身の定数倍を外に出せない。たとえば のとき だが である。
をそのまま扱って行き詰まる誤り。正しくは分子と分母に を掛けて と変形する。これより極限は になる。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
次の極限値を求めよ。
次の極限値を求めよ。
確率空間 上の確率変数 が、確率密度関数
をもつ(パラメータ の指数分布に従う)とする。正の整数 に対して
とおく。極限 を求めよ。確率空間 上の確率変数 が、確率密度関数
をもつ指数分布に従うとする。正の整数 に対して
とおく。極限 を求めよ。を正の整数とし、実数値確率変数 の特性関数が
で与えられているとする。極限
を求めよ。
この技能を使う問題
次の極限値を求めよ。
次の極限値を求めよ。
次の極限値を求めよ。
次の極限値を求めよ。
ただし、 は自然対数の底である。次の極限値を求めよ。ただし、 は正の整数とする。
を正の定数とする。極限
が有限の値に収束するとき、その極限値を求めよ。は実数の定数とする。
が成り立つとき、 の値を求めよ。無限級数
は収束する。その和を求めよ。すべての実数 で定義された関数 が、 で連続で であり、すべての実数 に対して
を満たしている。 の値を求めよ。次の定積分の値を求めよ。 ただし、被積分関数の における値は と定めるものとし、 は自然対数とする。