MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その24【重要な極限値②】

MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その24【重要な極限値②】 数値計算
MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その24【重要な極限値②】

バックナンバーはこちら。
https://www.simulationroom999.com/blog/compare-matlabpythonscilabjulia5-backnumber/

はじめに

フーリエ係数に至る道。
今回は重要な極限値について説明の続き。

登場人物

博識フクロウのフクさん

指差しフクロウ

イラストACにて公開の「kino_k」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=iKciwKA9&area=1

エンジニア歴8年の太郎くん

技術者太郎

イラストACにて公開の「しのみ」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=uCKphAW2&area=1

【再掲】フーリエ係数に至る道

太郎くん
太郎くん

まずは、フーリエ係数に至る道を再掲。

  • 偶関数
  • 奇関数
  • 関数の内積
  • 三角関数の加法定理
  • 三角関数の積和公式
  • 重要な極限値
  • 三角関数の直交性
  • フーリエ係数
フクさん
フクさん

今回は重要な極限値の説明の続きになる。

【再掲】円に接する三角形と扇形

太郎くん
太郎くん

前回の円に接する三角形と扇形も再掲だね。

円に接する三角形と扇形
円に接する三角形と扇形
フクさん
フクさん

それぞれの面積は以下で求められる。

\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle{\color{orange}三角形OAB}&=&底辺\times高さ\div2=\frac{1}{2}\sin(x)\\
\displaystyle{\color{green}扇形OAB}&=&\pi r^2\frac{x}{2\pi}=\frac{1}{2}x\\
\displaystyle{\color{blue}三角形OBC}&=&底辺\times高さ\div2=\frac{1}{2}\tan(x)
\end{eqnarray}
\)

面積の不等式を最適化していく。

フクさん
フクさん

前回、各面積の関係性はこのようになることを示した。

\(
{\color{orange}三角形OAB}<{\color{green}扇形OAB}<{\color{blue}三角形OBC}
\)

フクさん
フクさん

そして、これを具体的な面積を求める式を当てはめると以下になる。

\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle\frac{1}{2}\sin(x)<\frac{1}{2}x<\frac{1}{2}\tan(x)\\
\sin(x)< x<\tan(x)
\end{eqnarray}
\)

フクさん
フクさん

全体を\(\sin(x)\)で割る。

\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle 1 < \frac{x}{\sin(x)} < \frac{\tan(x)}{\sin(x)}\\
\displaystyle 1 < \frac{x}{\sin(x)} < \frac{1}{\cos(x)}\\
\end{eqnarray}
\)

太郎くん
太郎くん

あれ?
2行目のcosってどこから来たの?

フクさん
フクさん

\(\displaystyle \tan(x)=\frac{\sin(x)}{\cos(x)}\)
なんだよね。
これを代入すると2行目の式になる。

太郎くん
太郎くん

なるほど。

フクさん
フクさん

そして、この不等式全体を逆数にする。
逆数にすると、不等式の向きが逆になる。

\(
\displaystyle 1 > \frac{\sin(x)}{x} > \cos(x)
\)

フクさん
フクさん

上記に加え、

\(
\displaystyle \lim_{x\to0}\cos(x)=1
\)

フクさん
フクさん

不等式のはさみうちの原理により、

\(
\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin(x)}{x}=1
\)

まとめ

フクさん
フクさん

まとめだよ。

  • 円に接する三角形と扇形の面積の不等式を最適化。
  • いろいろ弄っていくと、はさみうちの原理により1が求められる。

バックナンバーはこちら。

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