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sin x を x で割ると 1 に近づく理由|三角関数の極限

を代入すると になります。それでも には行き先があります。

で 、 で 、 で 。

数を入れれば に寄っていくのは見えます。ただし、それは証明ではありません。

証明には図を使います。三角形と扇形の面積を比べる、というのが標準的な道すじです[1]。

面積ではさむ

半径 の円で、中心角 の扇形を考えます。 とします。

図の中に 3 つの領域が入れ子になります。小さい三角形、扇形、大きい三角形。

小さい三角形の面積は 。底辺 、高さ です。

扇形の面積は 。半径 の扇形なので に を入れた形です[2]。

大きい三角形は底辺 、高さ なので です。

包含関係から面積にも大小が付きます。

つまり 。この不等式が出発点です[1]。

はさみうちで仕上げる

の各辺を で割ります。 では なので、不等号の向きは変わりません。

逆数をとると向きが入れ替わります[1]。

のとき、左端の は に近づきます。右端はもともと 。

両側が に寄るので、あいだにある も へ追い込まれます。これがはさみうちです。

の場合も同じ値になります。 は偶関数で、 を に替えても分子分母の符号が同時に変わるため。

1 - cos x のほうは 0 に行く

も の形です。こちらの行き先は 。

分母分子に を掛けます。分子が になる。

前半は へ、後半は へ向かいます[1]。積は 。

分母を にすると答えが変わります。

で割れば 、 で割れば 。 が と同じ速さで小さくなる、という意味です。

形をそろえて使う

を求めます。そのままでは の形になっていません。

分母を にそろえます。。

のとき なので、。答えは です。

も同じ手。分子分母をそれぞれ で割ります。

が出てきたら に開きます。。

中身と分母をそろえる。これがすべての問題で共通の一手です。

x が大きくなる場合

では話が変わります。 の分子は と のあいだで振れ続け、分母だけが大きくなる。

両端が へ向かうので、はさみうちで です。

は になります。 と置くと の形に戻るため。

が に化けました。置きかえで の話へ引き戻すのが定石です。

そのものは存在しません。値が から を行き来し、どこにも落ち着かない。

はさみうちは、求めたいものを直接調べない 手法です。

上と下から押さえる 2 つの式さえ見つかれば、真ん中の行き先が決まります。 のように振動するものに強い。

まちがえやすい点

が度のままだと になりません。 です。

この公式はラジアン専用です。度の問題が出たら、まずラジアンへ直します。

中身と分母をそろえ忘れる誤りも多い。 の答えを としてしまう形。

を掛けて を作り、外に出した を残します。答えは 。

を と答える誤りもよく起きます。分母が か かで結果が変わります。

の値はどれですか。

__RESULT__

分子分母をそれぞれ で割ると になります。 はどちらも へ向かうので、残るのは です。中身の係数がそのまま比になります。

の形も確かめます。

の値はどれですか。

__RESULT__

を使うと です。 に を当てて としても同じ値になります。

面積ではさみ、逆数で向きを返し、中身と分母をそろえる。三角関数の極限はこの 3 手で片づきます。

出典

Proof of Trig Limits. Paul's Online Notes, Lamar University(、、).
Angles. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(扇形の面積 ).
$x = 0$ を入れると $\dfrac{0}{0}$ になりますが、行き先は $1$ です。数を入れて確かめるのは証明になりません。半径 $1$ の円に三角形・扇形・三角形を入れ子にすると $\sin x < x < \tan x$ が出て、$\sin x$ で割って逆数をとれば $\cos x < \dfrac{\sin x}{x} < 1$ になる。両端が $1$ へ寄るので、あいだも追い込まれます。$\dfrac{1-\cos x}{x}$ が $0$ で $\dfrac{1-\cos x}{x^2}$ が $\dfrac{1}{2}$ になる差、$x \to \infty$ を $t \to 0$ に置きかえる定石まで。