以下の極限を計算します。 (1) $\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x^3 - 1}$ (2) $\lim_{x \to \infty} (\sqrt{x^2 + x + 1} - x)$ (3) $\lim_{x \to \infty} \frac{\sin 3x}{x}$ (4) $\lim_{x \to 0} \frac{\tan^{-1} x}{x}$ (5) $\lim_{x \to 0} (1 + x + x^2)^{\frac{1}{x}}$ (6) $\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin(\frac{1}{x})}{\sin x}$

解析学極限関数の極限ロピタルの定理squeeze theorem
2025/6/1

1. 問題の内容

以下の極限を計算します。
(1) limx1x21x31\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x^3 - 1}
(2) limx(x2+x+1x)\lim_{x \to \infty} (\sqrt{x^2 + x + 1} - x)
(3) limxsin3xx\lim_{x \to \infty} \frac{\sin 3x}{x}
(4) limx0tan1xx\lim_{x \to 0} \frac{\tan^{-1} x}{x}
(5) limx0(1+x+x2)1x\lim_{x \to 0} (1 + x + x^2)^{\frac{1}{x}}
(6) limx0x2sin(1x)sinx\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin(\frac{1}{x})}{\sin x}

2. 解き方の手順

(1)
limx1x21x31=limx1(x1)(x+1)(x1)(x2+x+1)=limx1x+1x2+x+1=1+112+1+1=23\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x^3 - 1} = \lim_{x \to 1} \frac{(x - 1)(x + 1)}{(x - 1)(x^2 + x + 1)} = \lim_{x \to 1} \frac{x + 1}{x^2 + x + 1} = \frac{1 + 1}{1^2 + 1 + 1} = \frac{2}{3}
(2)
limx(x2+x+1x)=limx(x2+x+1x)(x2+x+1+x)x2+x+1+x=limxx2+x+1x2x2+x+1+x=limxx+1x2+x+1+x=limxx(1+1x)x(1+1x+1x2+1)=limx1+1x1+1x+1x2+1=1+01+0+0+1=12\lim_{x \to \infty} (\sqrt{x^2 + x + 1} - x) = \lim_{x \to \infty} \frac{(\sqrt{x^2 + x + 1} - x)(\sqrt{x^2 + x + 1} + x)}{\sqrt{x^2 + x + 1} + x} = \lim_{x \to \infty} \frac{x^2 + x + 1 - x^2}{\sqrt{x^2 + x + 1} + x} = \lim_{x \to \infty} \frac{x + 1}{\sqrt{x^2 + x + 1} + x} = \lim_{x \to \infty} \frac{x(1 + \frac{1}{x})}{x(\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} + 1)} = \lim_{x \to \infty} \frac{1 + \frac{1}{x}}{\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} + 1} = \frac{1 + 0}{\sqrt{1 + 0 + 0} + 1} = \frac{1}{2}
(3)
1xsin3xx1x-\frac{1}{x} \leq \frac{\sin 3x}{x} \leq \frac{1}{x}.
limx1x=0\lim_{x \to \infty} \frac{-1}{x} = 0 and limx1x=0\lim_{x \to \infty} \frac{1}{x} = 0.
By squeeze theorem, limxsin3xx=0\lim_{x \to \infty} \frac{\sin 3x}{x} = 0
(4)
limx0tan1xx=limx011+x21=1\lim_{x \to 0} \frac{\tan^{-1} x}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{1 + x^2}}{1} = 1
Alternatively, let f(x)=tan1xf(x) = \tan^{-1} x.
limx0tan1xx=limx0f(x)f(0)x0=f(0)\lim_{x \to 0} \frac{\tan^{-1} x}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = f'(0).
f(x)=11+x2f'(x) = \frac{1}{1 + x^2}.
f(0)=11+02=1f'(0) = \frac{1}{1 + 0^2} = 1.
(5)
limx0(1+x+x2)1x=limx0eln(1+x+x2)1x=limx0e1xln(1+x+x2)=elimx0ln(1+x+x2)x\lim_{x \to 0} (1 + x + x^2)^{\frac{1}{x}} = \lim_{x \to 0} e^{\ln (1 + x + x^2)^{\frac{1}{x}}} = \lim_{x \to 0} e^{\frac{1}{x} \ln (1 + x + x^2)} = e^{\lim_{x \to 0} \frac{\ln (1 + x + x^2)}{x}}.
limx0ln(1+x+x2)x=limx01+2x1+x+x21=1+2(0)1+0+02=1\lim_{x \to 0} \frac{\ln (1 + x + x^2)}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1 + 2x}{1 + x + x^2}}{1} = \frac{1 + 2(0)}{1 + 0 + 0^2} = 1.
limx0(1+x+x2)1x=e1=e\lim_{x \to 0} (1 + x + x^2)^{\frac{1}{x}} = e^1 = e.
(6)
limx0x2sin(1x)sinx=limx0xsinxxsin(1x)\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin(\frac{1}{x})}{\sin x} = \lim_{x \to 0} \frac{x}{\sin x} x \sin(\frac{1}{x}).
Since limx0xsinx=1\lim_{x \to 0} \frac{x}{\sin x} = 1 and 1sin(1x)1-1 \le \sin(\frac{1}{x}) \le 1, we have xxsin(1x)x-|x| \le x \sin(\frac{1}{x}) \le |x|.
By squeeze theorem, limx0xsin(1x)=0\lim_{x \to 0} x \sin(\frac{1}{x}) = 0.
Then, limx0x2sin(1x)sinx=(limx0xsinx)(limx0xsin(1x))=1×0=0\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin(\frac{1}{x})}{\sin x} = (\lim_{x \to 0} \frac{x}{\sin x}) (\lim_{x \to 0} x \sin(\frac{1}{x})) = 1 \times 0 = 0.

3. 最終的な答え

(1) 23\frac{2}{3}
(2) 12\frac{1}{2}
(3) 00
(4) 11
(5) ee
(6) 00

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