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見慣れない極限は微分係数に戻す〜定義そのものが答えになる場面

極限の問題で、そのまま代入すると になる形があります。分母が や なら、微分係数の定義を疑います。

この式を左から右へ使えば微分の計算、右から左へ使えば極限の計算になります。同じ式の裏表。

では分母が になり、値が定まりません。それでも左右どちらから近づけても、 に寄っていきます。

この値は です。 の における微分係数にあたります[1]。

見分け方の手順

つを順に確かめます。

分母が か の形になっているか。
分子が「同じ関数の つの値の差」になっているか。
その 点が、 または で重なるか。

そろっていれば、 と を読みとるだけで答えが出ます。極限の計算をせずに、微分の公式を当てる。

、 と読めば終わりです。因数分解して約分する道もありますが、こちらのほうが速い。

例:三角関数の形

を計算します。

なので、分子は の 値の差です。、。

例:指数関数の形

を計算します。 に気づくと形が見えます[3]。

、 とおくと、分子は です。 なので答えは 。

を知っていれば、 の置きかえでも出せます。どちらの道でも同じ値。

例:根号の形

です。、 と読みます。

有理化してもできますが、定義の形に気づけば計算は 行で終わります。

の値はどれか。

__RESULT__

、 と読めます。 なので です。因数分解して に を入れても同じ値になります。

分子の形を作る工夫

そのままでは定義の形にならないとき、 を足して引きます。値は変わらず、形だけが変わる。

を考えます。分子に を足して引きます。

で割る形に直すために、 を外へ出したところが工夫です。分母と、 からのずれをそろえます。

係数の和で覚えると速い。 の形なら、答えは になります。

例:係数を合わせる

なら 、 です。答えは 。

、 の場合で確かめます。 なので、極限は になるはず。

実際 は、 の近似から に近づきます[2]。

は何になるか。

__RESULT__

、 なので分子は に相当します。分母が なので、割ると です。中央差分と呼ばれる形になります。

気をつけるところ

分子の 点が同じ関数の値かどうかを確かめます。違う関数なら定義の形ではありません。
の位置をとり違えると、代入する値がずれます。 の を先に決めます。
分母の係数と、 からのずれの係数をそろえます。
の計算では、合成関数の微分が要る場合があります。
分母が の形なら、 の極限として同じ手が使えます。

定義に戻す型は、極限と微分の橋渡しです。どちらの単元の問題としても出るので、形で覚えておくと反応が速くなります。

参考文献

Derivatives of Trigonometric Functions - Calculus Volume 1, OpenStax
The Derivative as a Function - Calculus Volume 1, OpenStax
Dérivées usuelles - Wikipédia(フランス語)
分母が $h$ や $x-a$ で、代入すると $0/0$ になる極限は、微分係数の定義を疑います。$(x^n-1)/(x-1)$ なら $f(x)=x^n$、$a=1$ と読むだけで答えは $n$。差の商のグラフが $h \to 0$ で一つの値に寄っていく様子も動かして見ます。$f(a+ph)-f(a+qh)$ の形は $(p-q)f'(a)$ になる、という係数の見方まで扱いました。