Ответ: предел равен 1. Приведу несколько разных методов и укажу необходимые предпосылки. 1) Геометрическое (не требует дифференцирования). Для 0<x<π20<x<\tfrac{\pi}{2}0<x<2π на единичной окружности выполняется неравенство (сравнение площадей треугольника, сектора и другого треугольника) sinx<x<tanx.
\sin x < x < \tan x. sinx<x<tanx.
Разделив на sinx\sin xsinx и домножив на cosx\cos xcosx, получаем cosx<sinxx<1.
\cos x < \frac{\sin x}{x} < 1. cosx<xsinx<1.
При x→0x\to 0x→0 правая и левая границы стремятся к 111, отсюда по теореме о двух полицейских limx→0sinxx=1.
\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1. x→0limxsinx=1.
Предпосылки: углы измеряются в радианах (формула площади сектора 12r2θ\tfrac12 r^2\theta21r2θ); базовые геометрические факты об окружности и монотонности площадей. Метод не использует производных. 2) Теорема о среднем значении (MVT). Для функции f(t)=sintf(t)=\sin tf(t)=sint на [0,x][0,x][0,x] существует c∈(0,x)c\in(0,x)c∈(0,x) с sinx−sin0x−0=cosc⇒sinxx=cosc.
\frac{\sin x-\sin 0}{x-0}=\cos c\quad\Rightarrow\quad\frac{\sin x}{x}=\cos c. x−0sinx−sin0=cosc⇒xsinx=cosc.
При x→0x\to 0x→0 имеем c→0c\to0c→0 и cosc→1\cos c\to1cosc→1, значит предел равен 1. Предпосылки: fff дифференцируема на интервалах (нужна производная cos\coscos и её непрерывность). Если дифференцируемость sin\sinsin доказывается независимым способом, метод корректен; иначе может быть круговая зависимость с определением производной. 3) Правило Лопиталя. Так как sin0=0\sin 0=0sin0=0 и x→0x\to0x→0 даёт неопределённость 0/00/00/0, применяем Лопиталя: limx→0sinxx=limx→0(sinx)′(x)′=limx→0cosx1=1.
\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=\lim_{x\to0}\frac{(\sin x)'}{(x)'}=\lim_{x\to0}\frac{\cos x}{1}=1. x→0limxsinx=x→0lim(x)′(sinx)′=x→0lim1cosx=1.
Предпосылки: применимы только если sin\sinsin дифференцируема в окрестности 0 и известно значение её производной (sinx)′=cosx(\sin x)'=\cos x(sinx)′=cosx. Поэтому этот метод требует предварительного доказательства дифференцируемости синуса. 4) Ряд Тейлора / степенной ряд. Если известно разложение sinx=∑n=0∞(−1)nx2n+1(2n+1)!=x−x36+⋯ ,
\sin x=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}=x-\frac{x^3}{6}+\cdots, sinx=n=0∑∞(2n+1)!(−1)nx2n+1=x−6x3+⋯,
то sinxx=1−x26+⋯→1(x→0).
\frac{\sin x}{x}=1-\frac{x^2}{6}+\cdots\to1\quad(x\to0). xsinx=1−6x2+⋯→1(x→0).
Предпосылки: знание корректного разложения синуса в степенной ряд (сходимость в окрестности 0). 5) Через экспоненту (Эйлерова формула). sinx=eix−e−ix2i,⇒sinxx=eix−12ix−e−ix−12ix.
\sin x=\frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i},\quad\Rightarrow\quad\frac{\sin x}{x}=\frac{e^{ix}-1}{2ix}-\frac{e^{-ix}-1}{2ix}. sinx=2ieix−e−ix,⇒xsinx=2ixeix−1−2ixe−ix−1.
Используя limz→0ez−1z=1\lim_{z\to0}\tfrac{e^{z}-1}{z}=1limz→0zez−1=1 даём тот же результат 111. Предпосылки: свойства экспоненты (её предел/производная в 0). Замечание о единицах: все приведённые утверждения корректны при измерении угла в радианах. Если аргумент дан в градусах, предел будет отличаться (в частности, если xxx — угол в градусах, limx→0sinx∘x=π/180\lim_{x\to0}\frac{\sin x^\circ}{x}=\pi/180limx→0xsinx∘=π/180). Итого: наиболее элементарный (наименьшие аналитические предпосылки) — геометрический squeeze-аргумент; остальные методы требуют знаний о дифференцировании, рядах или свойствах экспоненты.
Приведу несколько разных методов и укажу необходимые предпосылки.
1) Геометрическое (не требует дифференцирования).
Для 0<x<π20<x<\tfrac{\pi}{2}0<x<2π на единичной окружности выполняется неравенство (сравнение площадей треугольника, сектора и другого треугольника)
sinx<x<tanx. \sin x < x < \tan x.
sinx<x<tanx. Разделив на sinx\sin xsinx и домножив на cosx\cos xcosx, получаем
cosx<sinxx<1. \cos x < \frac{\sin x}{x} < 1.
cosx<xsinx <1. При x→0x\to 0x→0 правая и левая границы стремятся к 111, отсюда по теореме о двух полицейских
limx→0sinxx=1. \lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1.
x→0lim xsinx =1. Предпосылки: углы измеряются в радианах (формула площади сектора 12r2θ\tfrac12 r^2\theta21 r2θ); базовые геометрические факты об окружности и монотонности площадей. Метод не использует производных.
2) Теорема о среднем значении (MVT).
Для функции f(t)=sintf(t)=\sin tf(t)=sint на [0,x][0,x][0,x] существует c∈(0,x)c\in(0,x)c∈(0,x) с
sinx−sin0x−0=cosc⇒sinxx=cosc. \frac{\sin x-\sin 0}{x-0}=\cos c\quad\Rightarrow\quad\frac{\sin x}{x}=\cos c.
x−0sinx−sin0 =cosc⇒xsinx =cosc. При x→0x\to 0x→0 имеем c→0c\to0c→0 и cosc→1\cos c\to1cosc→1, значит предел равен 1.
Предпосылки: fff дифференцируема на интервалах (нужна производная cos\coscos и её непрерывность). Если дифференцируемость sin\sinsin доказывается независимым способом, метод корректен; иначе может быть круговая зависимость с определением производной.
3) Правило Лопиталя.
Так как sin0=0\sin 0=0sin0=0 и x→0x\to0x→0 даёт неопределённость 0/00/00/0, применяем Лопиталя:
limx→0sinxx=limx→0(sinx)′(x)′=limx→0cosx1=1. \lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=\lim_{x\to0}\frac{(\sin x)'}{(x)'}=\lim_{x\to0}\frac{\cos x}{1}=1.
x→0lim xsinx =x→0lim (x)′(sinx)′ =x→0lim 1cosx =1. Предпосылки: применимы только если sin\sinsin дифференцируема в окрестности 0 и известно значение её производной (sinx)′=cosx(\sin x)'=\cos x(sinx)′=cosx. Поэтому этот метод требует предварительного доказательства дифференцируемости синуса.
4) Ряд Тейлора / степенной ряд.
Если известно разложение
sinx=∑n=0∞(−1)nx2n+1(2n+1)!=x−x36+⋯ , \sin x=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}=x-\frac{x^3}{6}+\cdots,
sinx=n=0∑∞ (2n+1)!(−1)nx2n+1 =x−6x3 +⋯, то
sinxx=1−x26+⋯→1(x→0). \frac{\sin x}{x}=1-\frac{x^2}{6}+\cdots\to1\quad(x\to0).
xsinx =1−6x2 +⋯→1(x→0). Предпосылки: знание корректного разложения синуса в степенной ряд (сходимость в окрестности 0).
5) Через экспоненту (Эйлерова формула).
sinx=eix−e−ix2i,⇒sinxx=eix−12ix−e−ix−12ix. \sin x=\frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i},\quad\Rightarrow\quad\frac{\sin x}{x}=\frac{e^{ix}-1}{2ix}-\frac{e^{-ix}-1}{2ix}.
sinx=2ieix−e−ix ,⇒xsinx =2ixeix−1 −2ixe−ix−1 . Используя limz→0ez−1z=1\lim_{z\to0}\tfrac{e^{z}-1}{z}=1limz→0 zez−1 =1 даём тот же результат 111.
Предпосылки: свойства экспоненты (её предел/производная в 0).
Замечание о единицах: все приведённые утверждения корректны при измерении угла в радианах. Если аргумент дан в градусах, предел будет отличаться (в частности, если xxx — угол в градусах, limx→0sinx∘x=π/180\lim_{x\to0}\frac{\sin x^\circ}{x}=\pi/180limx→0 xsinx∘ =π/180).
Итого: наиболее элементарный (наименьшие аналитические предпосылки) — геометрический squeeze-аргумент; остальные методы требуют знаний о дифференцировании, рядах или свойствах экспоненты.