三角関数の微分では
x→0limxsinx=1
という極限が様々なところで出てきます。
この記事では、
- なぜこの極限が特別なのか
- どうやって 1 をはさみうちで示すのか
- それが三角関数の微分とどうつながるのか
を順に見ていきます。
使うのは 単位円の図形 です。
極限そのものにまだ慣れていない場合は、先にこちらを読むと入りやすいです。
寄り道
また、sin や cos を単位円で見る話がまだ曖昧なら、こちらも先に見てください。
寄り道
1. グラフで見ると何が起きているか
まず
y=xsinx
のグラフを見てみます。
x=0 ではそのまま代入できませんが、
x を 0 に近づけていくと、値は 1 に近づいていくように見えます。
つまりグラフとしては、
原点の真上に穴が空いているが、その穴の高さは 1 に見える
という形です。
ただし、グラフがそう見えるだけでは証明にはなりません。
なぜ本当に 1 に近づくと言えるのかを、
次で図形的に示します。
2. 証明
この証明では、
単位円の中で面積を比べて、xsinx を 1 にはさみうちで示す
という流れを使います。
また、この議論は
角度をラジアンで表したとき
に成り立ちます。
単位円では、角度 x はそのまま弧の長さにもなるので、
扇形の面積をそのまま x で表せるからです。
2.1 3 つの図形の大小関係を見る
半径 1 の単位円を考えます。
そして
0<x<2π
とします。
このとき、単位円の中には
- 三角形 OAP
- 扇形 OAP
- 三角形 OAT
という 3 つの図形ができます。

図形的には、
三角形 OAP の面積 < 扇形 OAP の面積 < 三角形 OAT の面積
です。
この大小関係を式に直すのが出発点です。
2.2 3 つの図形の面積を書く
まず、三角形 OAP を考えます。
単位円なので、円周上の点の座標は
(cosx,sinx)
です。
図のとおり、OA=1 で、P の座標は
(cosx,sinx)
です。
したがって、底辺 OH は cosx、高さ PH は sinx なので、三角形 OAP の面積は
21sinxcosx
です。
次に、扇形 OAP を考えると、その面積は
2x
です。
ここで角度をラジアンで書いていることが効いています。
半径 1 なので、扇形の面積がそのまま x/2 になります。
最後に、接線上の点 T を使った三角形 OAT を考えると、その面積は
21tanx
になります。
したがって、
面積の大小関係から
21sinxcosx<2x<21tanx
となります。
両辺を 2 倍すると
sinxcosx<x<tanx
です。
ここまでは、単位円の図形から出てきた不等式です。
2.3 xsinx をはさむ形に変える
今は
0<x<2π
なので、sinx は正です。
そこで不等式
sinxcosx<x<tanx
を sinx で割ると
cosx<sinxx<cosx1
となります。
さらに逆数を取ると
cosx<xsinx<1
が得られます。
2.4 はさみうちで右側極限を求める
ここで
x→0+
のとき、
cosx→1
です。
しかも
cosx<xsinx<1
でした。
左も右も 1 に近づくので、
その間にはさまれている
xsinx
も 1 に近づきます。
したがって
x→0+limxsinx=1
です。
ただ、これだけでは右から近づいた場合しか扱っていません。
2.5 左から近づく場合も確認する
では x<0 のときはどうなるでしょうか。
sin は奇関数なので
sin(−x)=−sinx
です。
したがって
−xsin(−x)=xsinx
となり、
xsinx
は左右対称な形になります。
つまり、左から近づいても右から近づいても同じ値になり、
x→0limxsinx=1
です。
3. なぜこの極限が重要なのか
ここまでで
x→0limxsinx=1
が示せました。
この結果は、そのまま三角関数の微分に使われます。
例えば sinx の微分では、
加法定理を使うと
hsin(x+h)−sinx=sinxhcosh−1+cosxhsinh
となります。
ここで
hsinh→1
が分かっていれば、
残るのは
hcosh−1→0
だけです。
すると
(sinx)′=cosx
が導けます。
つまり、
xsinx→1 は、三角関数の微分を支える中心の極限
だということです。
4. もう 1 つの極限
三角関数の微分では、もう 1 つ
x→0limxcosx−1=0
もよく使います。
これは
1−cosx=1+cosx(1−cosx)(1+cosx)=1+cosx1−cos2x=1+cosxsin2x
より
x1−cosx=xsinx⋅1+cosxsinx
と書けます。
ここで
- xsinx→1
- sinx→0
- 1+cosx→2
なので
x1−cosx→0
です。
したがって
xcosx−1→0
も分かります。
まとめ
x→0limxsinx=1
が成り立つ理由は、
単位円の中で、三角形と扇形と接線側の三角形の面積を比べると、xsinx が 1 にはさまれるから
です。
流れをまとめると、
- 単位円で sinxcosx<x<tanx を作る
- そこから cosx<xsinx<1 を得る
- x→0 で cosx→1 を使って、はさみうちで 1 と分かる
という形です。
この極限は、ただの暗記事項ではありません。
単位円の図形から自然に出てきて、そのまま三角関数の微分の基礎になります。
三角関数の微分そのものを定義から追いたい場合は、こちらも続けて読むとつながります。
寄り道