sinx/x의 극한

Ho__sing·2023년 4월 7일

수학

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테일러 급수의 예시와 바젤 문제에 대해 공부하다가 lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1의 고등수준에서의 증명이 궁금해서 포스팅하게 되었다.

그림 출처 : Gribozavr, Public domain, via Wikimedia Commons

단위원 위에 중심각의 크기가 x(단,0<x<π2)x(단, 0<x<\frac{\pi}{2})(∵lim⁡x→0\because\displaystyle\lim_{x \to 0})인 부채꼴 KOAKOA가 있는 위와 같은 그림을 설정했을 때,
△KOA<부채꼴KOA<△LOA\triangle{KOA}<부채꼴 KOA<\triangle{LOA}인 사실에 Squeeze Theorem을 적용하여 증명할 것이다.

△KOH\triangle{KOH}에서 KO‾=1\overline{KO}=1이므로, KH‾=sin⁡x\overline{KH}=\sin x, OH‾=cos⁡x\overline{OH}=\cos x이다.
△LOA\triangle{LOA}에서 OA‾=1\overline{OA}=1이므로, LA‾=tan⁡x\overline{LA}=\tan x이다.

△KOA=12×OA‾×KH‾=12sin⁡x\triangle{KOA}=\frac{1}{2}\times\overline{OA}\times\overline{KH}=\frac{1}{2}\sin x
부채꼴KOA=12r2θ=12x부채꼴 KOA=\frac{1}{2}r^2 \theta=\frac{1}{2}x
△LOA=12×OA‾×LA‾=12tan⁡x\triangle{LOA}=\frac{1}{2}\times\overline{OA}\times\overline{LA}=\frac{1}{2}\tan x

\\
\\

12sin⁡x<12x<12tan⁡x\frac{1}{2}\sin x<\frac{1}{2}x<\frac{1}{2}\tan x
sin⁡x<x<tan⁡x\sin x<x<\tan x
1<xsin⁡x<1cos⁡x1<\frac{x}{\sin x}<\frac{1}{\cos x}
1<xsin⁡x<1cos⁡x1<\frac{x}{\sin x}<\frac{1}{\cos x}
cos⁡x<sin⁡xx<1\cos x<\frac{\sin x}{x}<1
lim⁡x→0cos⁡x≤lim⁡x→0sin⁡xx≤lim⁡x→01\displaystyle\lim_{x\to 0}\cos x\leq\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}\leq\displaystyle\lim_{x\to 0}1
1≤lim⁡x→0sin⁡xx≤11\leq\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}\leq1
∴lim⁡x→0sin⁡xx=1\therefore \displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1

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