関数の極限の基礎例題

関数の極限の基本的な演習です。

 

(例題1)次の極限値を求めよ。
(1)\(\displaystyle\lim_{x \to 1}\displaystyle\frac{\sqrt{x}-1}{x^3-1}\)

(2)\(\displaystyle\lim_{x \to -\infty}x(\sqrt{x^2+6x+10}+x+3)\)

 

無理式の極限は有理化が基本です。ただし(2)ではの無限大の極限を考えているので少し注意が必要です。

(解答)
(1)
\(\displaystyle\lim_{x \to 1}\displaystyle\frac{\sqrt{x}-1}{x^3-1}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to 1}\displaystyle\frac{\sqrt{x}-1}{x^3-1}\cdot\displaystyle\frac{\sqrt{x}+1}{\sqrt{x}+1}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to 1}\displaystyle\frac{x-1}{(x-1)(x^2+x+1)(\sqrt{x}+1)}\)

(\(x\)を\(1\)に近づけるから、\(1\)そのものになっているわけでないので割れる)

\(=\displaystyle\lim_{x \to 1}\displaystyle\frac{1}{(x^2+x+1)(\sqrt{x}+1)}\)

\(=\displaystyle\frac{1}{3\cdot2}\)

\(=\displaystyle\frac{1}{6}\)

 

(2)

有理化すると、最後に分母分子を\(x\)で割ることになりますが、\(x\)がの値なのでルートに変換すると \(\sqrt{x^2}=-x\) つまり \(x=-\sqrt{x^2}\) です。このマイナスをつけ忘れる恐れがあるので、\(x=-t\) と変換して \(t \to \infty\) の極限を考えると安全です(別解参照)。

\(\displaystyle\lim_{x \to -\infty}x(\sqrt{x^2+6x+10}+x+3)\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to -\infty}x(\sqrt{x^2+6x+10}+x+3)\cdot\displaystyle\frac{\sqrt{x^2+6x+10}-(x+3)}{\sqrt{x^2+6x+10}-(x+3)}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to -\infty}x\cdot\displaystyle\frac{(x^2+6x+10)-(x+3)^2}{\sqrt{x^2+6x+10}-(x+3)}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to -\infty}\displaystyle\frac{x}{\sqrt{x^2+6x+10}-(x+3)}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to -\infty}\displaystyle\frac{1}{\displaystyle\frac{1}{x}\cdot\sqrt{x^2+6x+10}-(1+\displaystyle\frac{1}{x})}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to -\infty}\displaystyle\frac{1}{\displaystyle\frac{1}{-\sqrt{x^2}}\cdot\sqrt{x^2+6x+10}-(1+\displaystyle\frac{1}{x})}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to -\infty}\displaystyle\frac{1}{-\sqrt{1+\displaystyle\frac{6}{x}+\displaystyle\frac{10}{x^2}}-(1+\displaystyle\frac{1}{x})}\)

\(=\displaystyle\frac{1}{-1-1}\)

\(=-\displaystyle\frac{1}{2}\)

(別解)
\(x=-t\) とすると、\(x \to -\infty\) のとき \(t \to \infty\) だから

\(\displaystyle\lim_{x \to -\infty}x(\sqrt{x^2+6x+10}+x+3)\)

\(=\displaystyle\lim_{t \to \infty}(-t)\{\sqrt{(-t)^2+6(-t)+10}+(-t)+3\}\)

\(=\displaystyle\lim_{t \to \infty}(-t)\{\sqrt{t^2-6t+10}-(t-3)\}\)

\(=\displaystyle\lim_{t \to \infty}(-t)\{\sqrt{t^2-6t+10}-(t-3)\}\cdot\displaystyle\frac{\sqrt{t^2-6t+10}+(t-3)}{\sqrt{t^2-6t+10}+(t-3)}\)

\(=\displaystyle\lim_{t \to \infty}(-t)\cdot\displaystyle\frac{(t^2-6t+10)-(t-3)^2}{\sqrt{t^2-6t+10}+(t-3)}\)

\(=\displaystyle\lim_{t \to \infty}\displaystyle\frac{-t}{\sqrt{t^2-6t+10}+(t-3)}\)

\(=\displaystyle\lim_{t \to \infty}\displaystyle\frac{-1}{\sqrt{1-\displaystyle\frac{6}{t}+\displaystyle\frac{10}{t^2}}+(1-\displaystyle\frac{3}{t})}\)

\(=-\displaystyle\frac{1}{2}\)

 

 

 

(例題2)
(1)\(\displaystyle\lim_{x \to 1-0}\displaystyle\frac{x(x+3)}{x-1}\)、\(\displaystyle\lim_{x \to 1+0}\displaystyle\frac{x(x+3)}{x-1}\) をそれぞれ求めよ。

(2)\(\displaystyle\lim_{x \to \sqrt{2}+0}\displaystyle\frac{x^2-2}{|x^2-3\sqrt{2}x+4|}\) を求めよ。

 

 

(解答)
(1)

\(\displaystyle\frac{x(x+3)}{x-1}\) について、分子は\(4\)(有限値)に近づき、分母は\(0\) に近づきます。よって、\(\displaystyle\lim_{x \to 0}\displaystyle\frac{k}{x}\) をイメージして右側・左側極限を考えることになります。

\(\displaystyle\lim_{x \to 1-0}\displaystyle\frac{x(x+3)}{x-1}=-\infty\) (\(\displaystyle\frac{4}{-0}\)の形)

\(\displaystyle\lim_{x \to 1+0}\displaystyle\frac{x(x+3)}{x-1}=\infty\) (\(\displaystyle\frac{4}{+0}\)の形)

 

(2)

\(\displaystyle\frac{0}{0}\) の形になるので、分母分子どちらも因数 \(x-\sqrt{2}\) をもちます。なお、どこかのタイミングで絶対値を外すことになりますが、\(x \to \sqrt{2}+0\) なので、\(x\)は \(\sqrt{2}\) より少し大きい値をとることを意識します。

\(\displaystyle\lim_{x \to \sqrt{2}+0}\displaystyle\frac{x^2-2}{|x^2-3\sqrt{2}x+4|}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to \sqrt{2}+0}\displaystyle\frac{(x-\sqrt{2})(x+\sqrt{2})}{|(x-\sqrt{2})(x-2\sqrt{2})|}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to \sqrt{2}+0}\displaystyle\frac{(x-\sqrt{2})(x+\sqrt{2})}{(x-\sqrt{2})|x-2\sqrt{2}|}\)

\(=\displaystyle\lim_{x \to \sqrt{2}+0}\displaystyle\frac{x+\sqrt{2}}{|x-2\sqrt{2}|}\)

\(=\displaystyle\frac{2\sqrt{2}}{|-\sqrt{2}|}\)

\(=2\)

 

 

 

以上になります。お疲れさまでした。
ここまで見ていただきありがとうございました。
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