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関数の極限【収束・発散・はさみうちの原理】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 関数の極限とは

    lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L
  • 1.1. 右側極限と左側極限

    右側極限:lim⁡x→a+0f(x),左側極限:lim⁡x→a−0f(x)\text{右側極限:} \lim_{x \to a+0} f(x), \quad \text{左側極限:} \lim_{x \to a-0} f(x)
  • 1.1. 右側極限と左側極限

    lim⁡x→a+0f(x)=lim⁡x→a−0f(x)=L\lim_{x \to a+0} f(x) = \lim_{x \to a-0} f(x) = L
  • 2.1. x→∞x \to \inftyx→∞ のときの極限

    lim⁡x→+∞1x=0,lim⁡x→+∞x2=+∞\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x} = 0, \quad \lim_{x \to +\infty} x^2 = +\infty
  • 3.1. 代入で求められる場合

    lim⁡x→2(3x2−x+1)=3(2)2−2+1=11\lim_{x \to 2} (3x^2 - x + 1) = 3(2)^2 - 2 + 1 = 11
  • 3.2. 00\frac{0}{0}00​ 型(不定形)の処理

    lim⁡x→1x2−1x−1=lim⁡x→1(x+1)(x−1)x−1=lim⁡x→1(x+1)=2\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x - 1} = \lim_{x \to 1} \frac{(x+1)(x-1)}{x-1} = \lim_{x \to 1} (x+1) = 2
  • 3.3. ∞∞\frac{\infty}{\infty}∞∞​ 型の処理

    lim⁡x→∞3x2+x2x2−5=lim⁡x→∞3+1x2−5x2=32\lim_{x \to \infty} \frac{3x^2 + x}{2x^2 - 5} = \lim_{x \to \infty} \frac{3 + \frac{1}{x}}{2 - \frac{5}{x^2}} = \frac{3}{2}
  • 4. はさみうちの原理

    lim⁡x→0xsin⁡1x=0\lim_{x \to 0} x \sin\frac{1}{x} = 0
  • 5. 重要な極限公式

    lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1
  • 5. 重要な極限公式

    lim⁡x→0ex−1x=1\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{x} = 1
  • 5. 重要な極限公式

    lim⁡x→0log⁡(1+x)x=1\lim_{x \to 0} \frac{\log(1+x)}{x} = 1
  • 5. 重要な極限公式

    lim⁡x→∞(1+1x)x=e\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e

関数の極限【収束・発散・はさみうちの原理】

数学IIIの「極限」は、微分法・積分法のすべての基礎となる重要な概念です。この記事では、関数の極限の意味から始め、収束・発散の判定、そして強力な道具であるはさみうちの原理まで、ひとつずつ丁寧に解説します。

1. 関数の極限とは

xx が限りなくある値 aa に近づくとき、関数 f(x)f(x) の値がある一定の値 LL に限りなく近づくならば、「x→ax \to a のとき f(x)f(x) は LL に収束する」といい、次のように書きます。

lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L

ポイント: x=ax = a における f(a)f(a) の値そのものではなく、xx が aa に「近づいていく過程」を見ています。f(a)f(a) が定義されていなくても極限値は存在することがあります。

1.1. 右側極限と左側極限

xx が aa より大きい側から近づく場合を右側極限、小さい側から近づく場合を左側極限といいます。

右側極限:lim⁡x→a+0f(x),左側極限:lim⁡x→a−0f(x)\text{右側極限:} \lim_{x \to a+0} f(x), \quad \text{左側極限:} \lim_{x \to a-0} f(x)

lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L が成り立つための必要十分条件は、右側極限と左側極限が等しく、どちらも LL に等しいことです。

lim⁡x→a+0f(x)=lim⁡x→a−0f(x)=L\lim_{x \to a+0} f(x) = \lim_{x \to a-0} f(x) = L

2. 収束・発散

状況 名称
f(x)→Lf(x) \to L(有限の値) 収束(収束値 LL を極限値という)
f(x)→+∞f(x) \to +\infty または −∞-\infty 発散(正の無限大・負の無限大に発散)
振動して一定値に近づかない 振動(極限なし)

2.1. x→∞x \to \infty のときの極限

xx が限りなく大きくなるとき(x→+∞x \to +\infty)の極限も同様に定義されます。例えば:

lim⁡x→+∞1x=0,lim⁡x→+∞x2=+∞\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x} = 0, \quad \lim_{x \to +\infty} x^2 = +\infty

3. 極限の基本的な計算

3.1. 代入で求められる場合

f(x)f(x) が x=ax = a で連続ならば、そのまま代入できます。

lim⁡x→2(3x2−x+1)=3(2)2−2+1=11\lim_{x \to 2} (3x^2 - x + 1) = 3(2)^2 - 2 + 1 = 11

3.2. 00\frac{0}{0} 型(不定形)の処理

x→ax \to a のとき分子・分母がともに 00 になる場合は、因数分解や有理化で約分してから求めます。

lim⁡x→1x2−1x−1=lim⁡x→1(x+1)(x−1)x−1=lim⁡x→1(x+1)=2\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x - 1} = \lim_{x \to 1} \frac{(x+1)(x-1)}{x-1} = \lim_{x \to 1} (x+1) = 2

3.3. ∞∞\frac{\infty}{\infty} 型の処理

分子・分母の最高次の項で割ります。

lim⁡x→∞3x2+x2x2−5=lim⁡x→∞3+1x2−5x2=32\lim_{x \to \infty} \frac{3x^2 + x}{2x^2 - 5} = \lim_{x \to \infty} \frac{3 + \frac{1}{x}}{2 - \frac{5}{x^2}} = \frac{3}{2}

4. はさみうちの原理

直接極限が求めにくいとき、上下から挟み込んで極限を決める方法が**はさみうちの原理(挟み撃ちの定理)**です。

g(x)≤f(x)≤h(x)g(x) \leq f(x) \leq h(x) かつ lim⁡x→ag(x)=lim⁡x→ah(x)=L\lim_{x \to a} g(x) = \lim_{x \to a} h(x) = L ならば、lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L

lim⁡x→0xsin⁡1x=0\lim_{x \to 0} x \sin\frac{1}{x} = 0

を示す場合、−∣x∣≤xsin⁡1x≤∣x∣-|x| \leq x\sin\frac{1}{x} \leq |x| かつ lim⁡x→0(−∣x∣)=lim⁡x→0∣x∣=0\lim_{x \to 0} (-|x|) = \lim_{x \to 0} |x| = 0 なので、はさみうちの原理より 00 と確定します。

5. 重要な極限公式

高校数学IIIで頻出の極限公式を覚えておきましょう。

lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1 lim⁡x→0ex−1x=1\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{x} = 1 lim⁡x→0log⁡(1+x)x=1\lim_{x \to 0} \frac{\log(1+x)}{x} = 1 lim⁡x→∞(1+1x)x=e\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e

これらはそのまま使えますが、証明にははさみうちの原理などが使われています。

6. 例題

問題: 次の極限を求めなさい。

lim⁡x→01+x−1x\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x} - 1}{x}

解答:

分子を有理化します(分子・分母に (1+x+1)(\sqrt{1+x}+1) をかける)。

1+x−1x=(1+x−1)(1+x+1)x(1+x+1)=(1+x)−1x(1+x+1)=xx(1+x+1)=11+x+1\frac{\sqrt{1+x} - 1}{x} = \frac{(\sqrt{1+x}-1)(\sqrt{1+x}+1)}{x(\sqrt{1+x}+1)} = \frac{(1+x)-1}{x(\sqrt{1+x}+1)} = \frac{x}{x(\sqrt{1+x}+1)} = \frac{1}{\sqrt{1+x}+1}

よって

lim⁡x→01+x−1x=lim⁡x→011+x+1=11+1=12\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x}-1}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{1}{\sqrt{1+x}+1} = \frac{1}{\sqrt{1}+1} = \frac{1}{2}

問題2: 次の極限を求めなさい。

lim⁡x→∞(x2+3x−x)\lim_{x \to \infty} (\sqrt{x^2+3x} - x)

解答:

∞−∞\infty - \infty 型の不定形なので、有理化します。

x2+3x−x=(x2+3x−x)(x2+3x+x)x2+3x+x=(x2+3x)−x2x2+3x+x=3xx2+3x+x\sqrt{x^2+3x} - x = \frac{(\sqrt{x^2+3x}-x)(\sqrt{x^2+3x}+x)}{\sqrt{x^2+3x}+x} = \frac{(x^2+3x)-x^2}{\sqrt{x^2+3x}+x} = \frac{3x}{\sqrt{x^2+3x}+x}

x>0x > 0 のとき x2+3x=x1+3x\sqrt{x^2+3x} = x\sqrt{1+\frac{3}{x}} なので、

=3xx1+3x+x=31+3x+1→x→∞31+1=32= \frac{3x}{x\sqrt{1+\frac{3}{x}}+x} = \frac{3}{\sqrt{1+\frac{3}{x}}+1} \xrightarrow{x \to \infty} \frac{3}{\sqrt{1}+1} = \frac{3}{2}

関連記事: 数列の極限の基本 / 無限級数【等比無限級数・収束条件】

7. クイズ

  1. lim⁡x→2x2−4x−2\displaystyle\lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2} の値はいくらですか?

    正解: 44 x2−4x−2=(x+2)(x−2)x−2=x+2\frac{x^2-4}{x-2} = \frac{(x+2)(x-2)}{x-2} = x+2 と因数分解し、x→2x \to 2 を代入すると 2+2=42+2=4。

  2. lim⁡x→∞5x3−2x3x3+x2\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{5x^3 - 2x}{3x^3 + x^2} の値はいくらですか?

    正解: 53\dfrac{5}{3} 分子・分母を x3x^3 で割ると 5−2x23+1x→53\dfrac{5 - \frac{2}{x^2}}{3 + \frac{1}{x}} \to \dfrac{5}{3}。

  3. はさみうちの原理を使って lim⁡x→0x2cos⁡1x\displaystyle\lim_{x \to 0} x^2 \cos\frac{1}{x} を求めなさい。

    正解: 00 −x2≤x2cos⁡1x≤x2-x^2 \leq x^2\cos\frac{1}{x} \leq x^2 であり、lim⁡x→0(−x2)=lim⁡x→0x2=0\lim_{x \to 0}(-x^2) = \lim_{x \to 0} x^2 = 0 なので、はさみうちの原理より 00。

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