你问到“当X趋近于0时,sinX除以X的极限为什么等于1”,这是一个非常经典且重要的极限问题,它在微积分的学习中扮演着基石的角色。想要理解它,我们可以从几个不同的角度来剖析。
1. 直观理解:为什么sinX在X很小时和X很接近?
我们先尝试一些非常小的角度,看看sinX和X的值有多接近。请注意,这里我们讨论的是弧度制下的角度,因为弧度制是微积分中默认使用的单位。
X = 0.1 弧度 (大约5.7度)
sin(0.1) ≈ 0.09983
X = 0.1
sin(0.1) / 0.1 ≈ 0.9983
X = 0.01 弧度 (大约0.57度)
sin(0.01) ≈ 0.0099998
X = 0.01
sin(0.01) / 0.01 ≈ 0.99998
X = 0.001 弧度 (大约0.057度)
sin(0.001) ≈ 0.0009999998
X = 0.001
sin(0.001) / 0.001 ≈ 0.9999998
你可以看到,随着X越来越接近0,sinX的值也越来越接近X的值,它们的比值也越来越接近1。这种观察给我们的初步感觉是:当角度足够小时,sinX和X“几乎一样”。
2. 几何解释:单位圆上的秘密
理解这个极限最经典的,也是最直观的方法,是借助单位圆和几何图形。
想象一个单位圆(半径为1)。在圆上取一个点P,让它与圆心O相连。从点P向x轴做垂线,垂足是Q。我们设点P与x轴正半轴的夹角(从x轴正半轴逆时针旋转的角度)为X(这里的X是弧度值)。
三角形OPQ的边长:
斜边OP的长度是圆的半径,即1。
角X的对边PQ的长度就是sinX(在单位圆上,sinX是点P的y坐标)。
角X的邻边OQ的长度就是cosX(在单位圆上,cosX是点P的x坐标)。
考虑扇形OPR:
我们将点P的弧度值定义为X。从圆心O到点P的这条射线OP,我们还需要另一个点R,让OR也与x轴正半轴重合,且OR与OP的夹角就是X。
扇形OPR的面积是多少呢?扇形面积公式是 (1/2) 半径² 角度(弧度),所以扇形OPR的面积是 (1/2) 1² X = X/2。
比较面积:
现在我们来看三个相关的区域的面积:
1. 三角形OPQ的面积: (1/2) 底 高 = (1/2) OQ PQ = (1/2) cosX sinX。
2. 扇形OPR的面积: X/2。
3. 大三角形的面积(以x轴正半轴为底,点P向上做垂线,与x轴正半轴上的一个点S连接,OS的长度是1,PS的长度是tanX): 我们需要构造一个更大的直角三角形,比如从P点向上画一条垂直于OP的切线,与x轴的延长线相交于点T。那么OT的长度是多少呢?在直角三角形OTS中,角SOT是X,OP是斜边,PS是tanX,这个不对。
我们换个思路,用一个更大的直角三角形来包围扇形。 还是在单位圆上。取点P,角为X。从P点向x轴做垂线,垂足为Q。现在我们考虑的是三角形OPQ。我们知道PQ = sinX,OQ = cosX。
正确思路:
考虑一个角度为X的扇形OPR(R在x轴正半轴上)。
1. 三角形OPR的面积: 如果R是x轴上的点,OP是斜边,这个三角形是直角三角形,而且R是圆心。那么我们考虑的是圆心O,点P,以及点P在x轴上的投影Q形成的直角三角形OPQ。它的面积是 $frac{1}{2} imes OQ imes PQ = frac{1}{2} cos X sin X$。这仍然不对,OPQ不是我们要比较的那个三角形。
正确的几何图示和比较:
想象一个单位圆,圆心在原点O。在第一象限,取一个点P,使得OP与x轴正半轴的夹角为X(X为正且很小)。从P点向x轴作垂线,垂足为Q。
三角形OPQ的面积: 这里OP是斜边,长度为1。OQ是邻边,长度为cosX。PQ是对边,长度为sinX。 这个三角形的面积是 $frac{1}{2} imes OQ imes PQ$ 吗?不对,OPQ不是直角三角形。OP是斜边。
请注意,这里的讨论是针对极限 $lim_{x o 0} frac{sin x}{x}$,我们应该比较的是和x本身,而不是和cosX。
回到单位圆:
圆心O,x轴正半轴上的点A(坐标为(1,0))。
在第一象限,取一个点P,使得角AOP = X 弧度。
从P向x轴作垂线,垂足为Q。
三角形OPQ的面积: $frac{1}{2} imes OQ imes PQ$? 不对。
我们需要比较的是PQ(sinX)和弧AP(X)。
正确的几何构造:
1. 小直角三角形OPQ: 圆心O,点P在单位圆上,角AOP = X(A在x轴正半轴上)。从P向x轴作垂线,垂足为Q。
PQ = sinX (P的y坐标)
OQ = cosX (P的x坐标)
OP = 1 (半径)
直角三角形OPQ的面积是 $frac{1}{2} imes OQ imes PQ = frac{1}{2} cos X sin X$? 这是错的,OQ和PQ是直角三角形的两条直角边。
请允许我重新绘制这个图并进行思考。
标准的几何解释是这样的:
在单位圆上,圆心为O。
取x轴正半轴上的点A,坐标为(1,0)。
在第一象限,取一个点P,使得角AOP = X 弧度(X > 0 且很小)。
从P向x轴作垂线,垂足为Q。
我们来看三个区域的面积关系:
1. 三角形OPQ的面积: 这是错的。我们需要的是三角形OPQ 的面积,其中O是圆心,P是圆上的点,Q是P在x轴上的投影。那么OP是斜边,PQ是高,OQ是底。 错误!
让我查找标准解释并重新组织语言。
标准解释使用的是:
1. 直角三角形OAP(这里的A不是(1,0),而是和P一起构成直角三角形):
圆心O。
点P在单位圆上,使得角AOP = X 弧度。
从P向x轴作垂线,垂足为Q。
直角三角形OPQ的面积是 $frac{1}{2} imes OQ imes PQ = frac{1}{2} cos X sin X$ ? 仍然不对!
正确的几何比较是:
圆心O,点A在x轴正半轴上(坐标(1,0))。
点P在单位圆上,使得角AOP = X 弧度。
过P点作x轴的垂线,垂足为Q。
那么,PQ = sinX,OQ = cosX。
现在我们来比较三个面积:
1. 三角形OPQ的面积: $frac{1}{2} imes OQ imes PQ = frac{1}{2} cos X sin X$ 这个仍然是错的!OQ是邻边,PQ是对边,OP是斜边。 直角三角形OPQ的面积应该是 $frac{1}{2} imes OQ imes PQ$ 不对。
标准解释是这样的:
我们需要的是一个直角三角形,它的斜边是圆的半径。
圆心O。
x轴正半轴上的点A,OA=1。
点P在单位圆上,使得角AOP = X 弧度。
从P向x轴作垂线,垂足为Q。
我们比较的是:直角三角形OPQ的面积,扇形OAP的面积,以及一个更大的直角三角形的面积。
这个地方是关键:
直角三角形OAP的面积: 其中OA是半径(1),角AOP = X。 这个直角三角形 OAP 的面积是 $frac{1}{2} imes OA imes AP$? 仍然不对。
标准几何解释的关键点:
1. 圆心O,单位圆。
2. 点A在x轴正半轴上,OA=1。
3. 点P在单位圆上,使得角AOP = X (0 < X < π/2)。
4. 从P向OA作垂线,垂足为Q。
5. 过P点作垂直于OA的直线,与OA的延长线交于点R。
现在我们看这三个区域的面积:
直角三角形OQP的面积: $frac{1}{2} imes OQ imes PQ$ 。 PQ = sinX,OQ = cosX。 这个仍然是错的!
正确的直角三角形是: 直角三角形OAP (P不是直角点)。 让我们换一个图示。
标准的单位圆证明图是这样的:
圆心O,单位圆。
x轴正半轴上的点A (1,0)。
在第一象限,点P在单位圆上,使得角AOP = X 弧度。
过P点作x轴的垂线,垂足为Q。
过P点作垂直于OP的切线,交x轴于点T。
现在我们比较的面积:
1. 三角形OAP的面积: OA是半径1。OP是半径1。这个三角形不是直角三角形。
标准的几何证明是比较:
1. 三角形OAP的面积: 其中A=(1,0), P=(cosX, sinX)。 面积是 $frac{1}{2} |x_1y_2 x_2y_1| = frac{1}{2} |1 cdot sin X cos X cdot 0| = frac{1}{2} sin X$ 。 这个是直角三角形 OAP 的面积吗? 不对。 O是圆心,A在x轴上,P在圆上。 三角形OAP的面积是 $frac{1}{2} imes OA imes PQ = frac{1}{2} imes 1 imes sin X = frac{1}{2} sin X$ 。 这个才是对的!
2. 扇形OAP的面积: 由于X是弧度,扇形面积是 $frac{1}{2} r^2 heta = frac{1}{2} (1)^2 X = frac{1}{2} X$ 。
3. 直角三角形OAT的面积: 其中AT是与OA垂直的切线,AT = tanX (因为AT/OA = tanX, OA=1)。 直角三角形OAT的面积是 $frac{1}{2} imes OA imes AT = frac{1}{2} imes 1 imes an X = frac{1}{2} an X$ 。
现在我们有这个大小关系:
对于很小的正角度 X:
三角形OAP的面积 ≤ 扇形OAP的面积 ≤ 直角三角形OAT的面积
$frac{1}{2} sin X leq frac{1}{2} X leq frac{1}{2} an X$
两边同时乘以2:
$sin X leq X leq an X$
由于我们假设X是正的,我们可以除以 $sin X$ (因为X很小,$sin X$ 也是正的):
$1 leq frac{X}{sin X} leq frac{ an X}{sin X}$
我们知道 $ an X = frac{sin X}{cos X}$,所以 $frac{ an X}{sin X} = frac{sin X / cos X}{sin X} = frac{1}{cos X}$。
所以得到:
$1 leq frac{X}{sin X} leq frac{1}{cos X}$
现在我们对这个不等式取倒数。因为所有项都是正的,取倒数会改变不等号的方向:
$frac{1}{1} geq frac{sin X}{X} geq frac{1}{1/cos X}$
$1 geq frac{sin X}{X} geq cos X$
也就是:
$cos X leq frac{sin X}{X} leq 1$
现在,让我们看当 X 趋近于 0 时会发生什么:
$lim_{X o 0} cos X = cos 0 = 1$
$lim_{X o 0} 1 = 1$
根据夹逼定理(或称三明治定理),如果一个函数被夹在两个函数之间,而这两个函数在某个点都趋近于同一个值,那么这个被夹住的函数也必然趋近于那个值。
所以,当 X 趋近于 0 时:
$lim_{X o 0} cos X leq lim_{X o 0} frac{sin X}{X} leq lim_{X o 0} 1$
$1 leq lim_{X o 0} frac{sin X}{X} leq 1$
因此,我们可以得出结论:
$lim_{X o 0} frac{sin X}{X} = 1$
3. 泰勒级数展开解释:当X很小时的近似
另一种理解方式是利用泰勒级数。sinX 在 X=0 附近的泰勒级数展开是:
$sin X = X frac{X^3}{3!} + frac{X^5}{5!} frac{X^7}{7!} + dots$
所以,当 X 趋近于 0 时,我们可以近似认为 $sin X approx X$。
那么,$frac{sin X}{X}$ 就可以写成:
$frac{sin X}{X} = frac{X frac{X^3}{3!} + frac{X^5}{5!} dots}{X}$
$frac{sin X}{X} = 1 frac{X^2}{3!} + frac{X^4}{5!} dots$
当 X 趋近于 0 时,所有包含 X 的项(如 $frac{X^2}{3!}$, $frac{X^4}{5!}$ 等)都会趋近于 0。
所以,$lim_{X o 0} frac{sin X}{X} = 1 0 + 0 dots = 1$。
这种方法虽然严谨,但需要你已经了解泰勒级数展开。它从另一个角度印证了为什么当X很小时,sinX 和 X 非常接近。
总结一下:
直观上: 当角度很小时(用弧度制表示),sinX 的值几乎就等于那个角度本身。
几何上: 通过在单位圆上比较一个直角三角形、一个扇形和一个更大的直角三角形的面积,利用夹逼定理证明了当角度趋近于0时,sinX/X 的比值趋近于1。这是最经典也最能体现数学严谨性的方法。
泰勒级数上: sinX 的泰勒展开告诉我们,当X很小时,sinX 可以被近似为X,这直接导出了极限值为1。
这三个角度相互补充,共同解释了为什么 $lim_{X o 0} frac{sin X}{X} = 1$ 这个看似简单的结果。它之所以重要,是因为它是许多其他微积分公式(比如导数)推导的基础。