与えられた6つの関数の極限値を求めます。 (1) $\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{2+x^2}-\sqrt{2-x^2}}{x^2}$ (2) $\lim_{x \to \infty} \sqrt{x}(\sqrt{2x} - \sqrt{2x+1})$ (3) $\lim_{x \to 0} x\sin(\frac{1}{x})$ (4) $\lim_{x \to 0} \frac{\sin(2x)}{\sin(3x)}$ (5) $\lim_{x \to 0} \frac{e^x + e^{-x} - 2}{x^2}$ (6) $\lim_{x \to 1} \frac{x}{x-1}$

解析学極限関数の極限ロピタルの定理はさみうちの原理
2025/6/14

1. 問題の内容

与えられた6つの関数の極限値を求めます。
(1) limx02+x22x2x2\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{2+x^2}-\sqrt{2-x^2}}{x^2}
(2) limxx(2x2x+1)\lim_{x \to \infty} \sqrt{x}(\sqrt{2x} - \sqrt{2x+1})
(3) limx0xsin(1x)\lim_{x \to 0} x\sin(\frac{1}{x})
(4) limx0sin(2x)sin(3x)\lim_{x \to 0} \frac{\sin(2x)}{\sin(3x)}
(5) limx0ex+ex2x2\lim_{x \to 0} \frac{e^x + e^{-x} - 2}{x^2}
(6) limx1xx1\lim_{x \to 1} \frac{x}{x-1}

2. 解き方の手順

(1) 分母分子に2+x2+2x2\sqrt{2+x^2} + \sqrt{2-x^2}をかけます。
limx0(2+x22x2)(2+x2+2x2)x2(2+x2+2x2)=limx02+x2(2x2)x2(2+x2+2x2)=limx02x2x2(2+x2+2x2)=limx022+x2+2x2=22+2=222=12=22\lim_{x \to 0} \frac{(\sqrt{2+x^2}-\sqrt{2-x^2})(\sqrt{2+x^2}+\sqrt{2-x^2})}{x^2(\sqrt{2+x^2}+\sqrt{2-x^2})} = \lim_{x \to 0} \frac{2+x^2-(2-x^2)}{x^2(\sqrt{2+x^2}+\sqrt{2-x^2})} = \lim_{x \to 0} \frac{2x^2}{x^2(\sqrt{2+x^2}+\sqrt{2-x^2})} = \lim_{x \to 0} \frac{2}{\sqrt{2+x^2}+\sqrt{2-x^2}} = \frac{2}{\sqrt{2}+\sqrt{2}} = \frac{2}{2\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}
(2) 分母分子に2x+2x+1\sqrt{2x} + \sqrt{2x+1}をかけます。
limxx(2x2x+1)(2x+2x+1)2x+2x+1=limxx2x(2x+1)2x+2x+1=limxx2x+2x+1=limxxx(2+2+1/x)=limx12+2+1/x=12+2=122=24\lim_{x \to \infty} \sqrt{x}\frac{(\sqrt{2x} - \sqrt{2x+1})(\sqrt{2x} + \sqrt{2x+1})}{\sqrt{2x} + \sqrt{2x+1}} = \lim_{x \to \infty} \sqrt{x}\frac{2x - (2x+1)}{\sqrt{2x} + \sqrt{2x+1}} = \lim_{x \to \infty} \frac{-\sqrt{x}}{\sqrt{2x} + \sqrt{2x+1}} = \lim_{x \to \infty} \frac{-\sqrt{x}}{\sqrt{x}(\sqrt{2} + \sqrt{2+1/x})} = \lim_{x \to \infty} \frac{-1}{\sqrt{2} + \sqrt{2+1/x}} = \frac{-1}{\sqrt{2} + \sqrt{2}} = \frac{-1}{2\sqrt{2}} = -\frac{\sqrt{2}}{4}
(3) xxsin(1x)x-|x| \le x\sin(\frac{1}{x}) \le |x|なので、limx0xsin(1x)=0\lim_{x \to 0} x\sin(\frac{1}{x}) = 0 (はさみうちの原理)。
(4) limx0sin(2x)sin(3x)=limx0sin(2x)2x3xsin(3x)2x3x=1123=23\lim_{x \to 0} \frac{\sin(2x)}{\sin(3x)} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin(2x)}{2x} \cdot \frac{3x}{\sin(3x)} \cdot \frac{2x}{3x} = 1 \cdot 1 \cdot \frac{2}{3} = \frac{2}{3}
(5) ex=1+x+x22+O(x3)e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2} + O(x^3)ex=1x+x22+O(x3)e^{-x} = 1 - x + \frac{x^2}{2} + O(x^3)より、
ex+ex2=1+x+x22+1x+x222+O(x3)=x2+O(x3)e^x + e^{-x} - 2 = 1 + x + \frac{x^2}{2} + 1 - x + \frac{x^2}{2} - 2 + O(x^3) = x^2 + O(x^3)
limx0ex+ex2x2=limx0x2x2=1\lim_{x \to 0} \frac{e^x + e^{-x} - 2}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{x^2}{x^2} = 1
もしくは、ロピタルの定理を使う:
limx0ex+ex2x2=limx0exex2x=limx0ex+ex2=1+12=1\lim_{x \to 0} \frac{e^x + e^{-x} - 2}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{e^x - e^{-x}}{2x} = \lim_{x \to 0} \frac{e^x + e^{-x}}{2} = \frac{1+1}{2} = 1
(6) limx1xx1\lim_{x \to 1} \frac{x}{x-1}
x1+x \to 1^+のときxx1\frac{x}{x-1} \to \infty
x1x \to 1^-のときxx1\frac{x}{x-1} \to -\infty
よって極限は存在しません。

3. 最終的な答え

(1) 22\frac{\sqrt{2}}{2}
(2) 24-\frac{\sqrt{2}}{4}
(3) 0
(4) 23\frac{2}{3}
(5) 1
(6) 極限は存在しない

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