プリンキピア

第2章極限

The Squeeze Theoremはさみうちの定理

The techniques we have developed thus far work very well for algebraic functions, but we are still unable to evaluate limits of very basic trigonometric functions. The next theorem, called the squeeze theorem, proves very useful for establishing basic trigonometric limits. This theorem allows us to calculate limits by “squeezing” a function, with a limit at a point a that is unknown, between two functions having a common known limit at a. Figure 2.27 illustrates this idea.
英語のヒント
ここまでの方法は代数関数には有効だが、ごく基本的な三角関数の極限さえ、まだ求められない。次の「はさみうちの定理」は、三角関数の基本的な極限を示すうえで役に立つ。aでの極限がまだ分からない関数を、aでの極限が同じ既知の値になる2つの関数ではさむことで、その極限を計算できる。図2.27が、この考えを示している。
小さな区間で、3つの曲線を描いている。g(x)は、同じxに対して上側にあるh(x)と下側にあるf(x)の間にはさまれている。xがaに近づくと、3つとも同じ極限に近づく。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Figure 2.27図 2.27
The Squeeze Theorem applies when f(x)≤g(x)≤h(x) and limx→af(x)=limx→ah(x).
f(x)≤g(x)≤h(x)かつlimx→af(x)=limx→ah(x)のとき、はさみうちの定理を使える。
Example 2.24例題 2.24

Applying the Squeeze Theoremはさみうちの定理を使う

Apply the squeeze theorem to evaluate limx→0xcosx.
はさみうちの定理を使って、limx→0xcosxを求めなさい。
Solution解き方
Because −1≤cosx≤1 for all x, we have −|x|≤xcosx≤|x|. Since limx→0(−|x|)=0=limx→0|x|, from the squeeze theorem, we obtain limx→0xcosx=0. The graphs of f(x)=−|x|,g(x)=xcosx, and h(x)=|x| are shown in Figure 2.28.
どのxについても−1≤cosx≤1だから、−|x|≤xcosx≤|x|が成り立つ。limx→0(−|x|)=0=limx→0|x|なので、はさみうちの定理からlimx→0xcosx=0を得る。図2.28に、f(x)=−|x|,g(x)=xcosxおよびh(x)=|x|のグラフを示す。
g(x)=x cos xを、上側のh(x)=|x|と下側のf(x)=−|x|ではさむ図。3つとも原点を通り、xが0に近づくと同じ値0に近づく。原文の代替説明で欠落していた絶対値を、本文の関数定義に合わせて補っている。

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Figure 2.28図 2.28
The graphs of f(x),g(x), and h(x) are shown around the point x=0.
x=0の近くでの、f(x),g(x)およびh(x)のグラフ。
We now use the squeeze theorem to tackle several very important limits. Although this discussion is somewhat lengthy, these limits prove invaluable for the development of the material in both the next section and the next chapter. The first of these limits is limθ→0sinθ. Consider the unit circle shown in Figure 2.29. In the figure, we see that sinθ is the y-coordinate on the unit circle and it corresponds to the line segment shown in blue. The radian measure of angle θ is the length of the arc it subtends on the unit circle. Therefore, we see that for 0<θ<π2,0<sinθ<θ.
英語のヒント
はさみうちの定理を使い、非常に重要ないくつかの極限を求めよう。少し長い議論になるが、これらの極限は、次の節や次の章の内容を展開するうえで欠かせない。最初はlimθ→0sinθである。図2.29の単位円を考えよう。sinθは円周上の点のy座標であり、青い線分の長さに当たる。角θのラジアン値は、単位円でその角が切り取る弧の長さである。したがって、0<θ<π/2のとき、0<sinθ<θが分かる。
原点を中心とする半径1の単位円。第1象限の円周上の点(cos θ,sin θ)、原点、(cos θ,0)を頂点とする直角三角形がある。底辺の長さはcos θ、高さはsin θで、原点の角がθである。θのラジアン値は対応する円弧の長さであり、0<θ<π/2では0<sin θ<θとなる。

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Figure 2.29図 2.29
The sine function is shown as a line on the unit circle.
単位円上で、正弦の値を線分の長さとして示している。
Because limθ→0+0=0 and limθ→0+θ=0, by using the squeeze theorem we conclude that
limθ→0+0=0かつlimθ→0+θ=0なので、はさみうちの定理から次を得る。
limθ→0+sinθ=0.
limθ→0+sinθ=0
To see that limθ→0−sinθ=0 as well, observe that for −π2<θ<0,0<−θ<π2 and hence, 0<sin(−θ)<−θ. Consequently, 0<−sinθ<−θ. It follows that 0>sinθ>θ. An application of the squeeze theorem produces the desired limit. Thus, since limθ→0+sinθ=0 and limθ→0−sinθ=0,
左側からもlimθ→0−sinθ=0となることを確かめよう。−π/2<θ<0なら0<−θ<π2なので、0<sin(−θ)<−θとなる。正弦は奇関数だから、0<−sinθ<−θであり、したがって0>sinθ>θである。ここにはさみうちの定理を使えば、求める左側極限を得る。limθ→0+sinθ=0かつlimθ→0−sinθ=0なので、次が成り立つ。
limθ→0sinθ=0.
limθ→0sinθ=0
(2.16)
Next, using the identity cosθ=1−sin2θ for −π2<θ<π2, we see that
次に、−π2<θ<π2で成り立つ恒等式cosθ=1−sin2θを使うと、次を得る。
limθ→0cosθ=limθ→01−sin2θ=1.
limθ→0cosθ=limθ→01−sin2θ=1
(2.17)
We now take a look at a limit that plays an important role in later chapters—namely, limθ→0sinθθ. To evaluate this limit, we use the unit circle in Figure 2.30. Notice that this figure adds one additional triangle to Figure 2.30. We see that the length of the side opposite angle θ in this new triangle is tanθ. Thus, we see that for 0<θ<π2,sinθ<θ<tanθ.
続いて、後の章で重要になる極限limθ→0sinθθを考える。図2.30の単位円を使おう。この図では、先ほどの単位円の図に三角形が1つ追加されている。追加された三角形で、角θに向かい合う辺の長さはtanθである。したがって、0<θ<π/2のとき、sinθ<θ<tanθが分かる。原文は比較元も図2.30としているが、追加前の図は図2.29である。
前の単位円の図に、より大きな直角三角形を加えた図。底辺は原点から(1,0)、高さは(1,0)から(1,tan θ)、斜辺は原点から(1,tan θ)までである。この図から、0<θ<π/2でsin θ<θ<tan θとなることが分かる。

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Figure 2.30図 2.30
The sine and tangent functions are shown as lines on the unit circle.
単位円を使い、正弦と正接の値を線分の長さとして示している。
By dividing by sinθ in all parts of the inequality, we obtain
不等式の各辺をsinθで割ると、次を得る。
1<θsinθ<1cosθ.
1<θsinθ<1cosθ
Equivalently, we have
これを同値な形に書き換えると、次のようになる。
1>sinθθ>cosθ.
1>sinθθ>cosθ
Since limθ→0+1=1=limθ→0+cosθ, we conclude that limθ→0+sinθθ=1. By applying a manipulation similar to that used in demonstrating that limθ→0−sinθ=0, we can show that limθ→0−sinθθ=1. Thus,
英語のヒント
limθ→0+1=1=limθ→0+cosθなので、はさみうちの定理からlimθ→0+sinθθ=1と分かる。また、limθ→0−sinθ=0を示したときと同じように負の角を扱えば、limθ→0−sinθθ=1も示せる。したがって、次を得る。
limθ→0sinθθ=1.
limθ→0sinθθ=1
(2.18)
In Example 2.25 we use this limit to establish limθ→01−cosθθ=0. This limit also proves useful in later chapters.
例題2.25では、この極限を使ってlimθ→01−cosθθ=0を示す。この極限も、後の章で役に立つ。
Example 2.25例題 2.25

Evaluating an Important Trigonometric Limit重要な三角関数の極限を求める

Evaluate limθ→01−cosθθ.
limθ→01−cosθθを求めなさい。
Solution解き方
In the first step, we multiply by the conjugate so that we can use a trigonometric identity to convert the cosine in the numerator to a sine:
最初に共役な式を掛ける。すると、三角関数の恒等式を使い、分子の余弦を正弦の式に変えられる。
limθ→01−cosθθ=limθ→01−cosθθ·1+cosθ1+cosθ=limθ→01−cos2θθ(1+cosθ)=limθ→0sin2θθ(1+cosθ)=limθ→0sinθθ·sinθ1+cosθ=1·02=0.
Therefore,
したがって、次のようになる。
limθ→01−cosθθ=0.
limθ→01−cosθθ=0
(2.19)
Project探究課題