角度比の極限値(底辺を円弧とみなせば ... )

[問題 CL-07] 角度比の極限値

 図のように1直線上に3点 $O\:,A,\:B$ をとり、$OA = 1,\:AB = 2$ となるようにします。また $O$ を通って $OA$ に垂直な直線上の動点を $P$ とします。

直角三角形の角度αβの極限値

 $OP=h,\:\angle OPA=\alpha,\:\angle APB=\beta$ とするとき、$\displaystyle \lim_{h \rightarrow \infty}\frac{\alpha}{\beta}$ を求めてください。

(千葉大)

 

問題 CL-07 のヒント

 底辺 OB を円弧とみなせば答えを予測できます。

はじめての物理数学 自然界を司る法則を数式で導く

問題 CL-07 の解答

 $h$ を無限に大きくすると、$OA$ と $AB$ は無限大の半径をもつ円の円弧とみなすことができます。つまり $OA$ と $AB$ は円周角 $\alpha$ と $\beta$ の比である 1:2 となっていることが予測されます。それでは実際に解答を作って確認してみましょう。

 すぐに三角関数の極限公式を使うことを思いつくはずです。 $\sin x$ に関する公式を用いても解答できますが、斜辺を平方根で表すのが大変なので、ここは $\tan x$ の極限公式
 
\[\lim_{x\rightarrow 0}\frac{\tan x}{x}=1 \tag{1}\]
を使うことにします。問題図から
 
\[\tan \alpha=\frac{1}{h},\quad \tan (\alpha + \beta)=\frac{3}{h} \tag{2}\]
という関係式が得られるので、 $h \rightarrow \infty$ のとき、
 
\[\lim_{h\rightarrow \infty} \tan \alpha=0,\quad \lim_{h\rightarrow \infty} \tan \beta=0\]
となります。すなわち $h \rightarrow \infty$ のとき
 
\[\alpha \rightarrow0,\quad \beta=\rightarrow0\]
となって公式 (1) が使えることがわかります。すなわち
 
\[\lim_{h \rightarrow \infty}\frac{\tan \alpha}{\alpha}=\lim_{\alpha \rightarrow 0}\frac{\tan \alpha}{\alpha}=1\]
です。ここで $\alpha$ と $\beta$ の比をとって
 
\[\frac{\alpha}{\beta}=\frac{\alpha}{\tan \alpha}\,\frac{\tan \alpha}{\tan \beta}\,\frac{\tan \beta}{\beta}\]
と半ば強引に変形して極限公式が使えるようにします。つまり $\tan \alpha$ と $\tan \beta$ の比が求まれば答えが得られることがわかります。しかし、まだ $\tan \beta$ の値が分からないので加法定理から
 
\[\tan \beta=\tan \{ (\alpha + \beta)-\alpha \} =\frac{\tan (\alpha + \beta)-\tan \alpha}{1+\tan (\alpha + \beta) \tan \alpha}\]
という式をつくってから (2) を代入すると
 
\[\tan \beta = \frac{2h}{h^2+3}\]
が得られます。よって求める極限は
 
\[\lim_{h \rightarrow \infty}\frac{\alpha}{\beta}=\lim_{h \rightarrow \infty} \left(\frac{\alpha}{\tan \alpha}\,\frac{\tan \alpha}{\tan \beta}\,\frac{\tan \beta}{\beta} \right)=1 \cdot\ \frac{1}{2} \cdot\ 1=\frac{1}{2}\]
となります。 ≫ [問題08] x/expx の極限 ≫ 数学演習問題

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