極限の種類(x → a・x → ±∞・n → ∞)と、分子・分母の多項式の次数・係数を入力してください。下の数式は入力欄と連動していて、数字の部分を直接書き換えても計算できます。
このページでできること
- 多項式や \(\dfrac{x^{2}-4}{x-2}\) のような分数の形の式(分子・分母が多項式)の極限 \(\displaystyle\lim_{x \to a} f(x)\) を、係数を入れるだけでその場で計算できます
- 近づけ方は \(x \to a\)(有限の値)・\(x \to \infty\)・\(x \to -\infty\)・\(n \to \infty\)(数列の極限)の4種類から選べます
- 代入すると \(\dfrac{0}{0}\) になる不定形は、因数分解して約分する途中式付きで求めます。答えは約分済みの分数(厳密値)と小数の両方で表示します
- 極限が \(\infty\)・\(-\infty\) になる場合や、右極限と左極限が食い違って「極限なし」になる場合も、理由付きで判定します
- 計算機には手書きと同じ形の \(\lim\) の式が表示され、数字の部分を直接書き換えて計算することもできます
- 式のやさしい解説・Excel/Googleスプレッドシート/Python用のコピペ数式・計算ドリル(演習問題)もこのページにまとまっています
この計算は何の役に立つ?
車のスピードメーターが示す「時速60km」は、「ごく短い時間の平均の速さ」の時間幅を限りなく \(0\) に近づけた極限です。例えば落下する物体が落ち始めてから \(t\) 秒間に落ちる距離は約 \(4.9t^{2}\) m で、\(1\) 秒後から \(h\) 秒間の平均の速さ \(\dfrac{4.9(1+h)^{2}-4.9}{h}\) は、\(h \to 0\) でそのまま代入すると \(\dfrac{0}{0}\) の不定形になります。約分すると \(9.8 + 4.9h\) となり、極限は秒速 \(9.8\) m——これが「\(1\) 秒後の瞬間の速さ」です。
微分はこの「\(\dfrac{0}{0}\) の極限」を一般の関数に広げたもので、極限は微分・積分の土台になっています。
初期費用(設備・金型など)が500万円、1個あたりの材料費が200円の製品を \(x\) 個作ると、1個あたりの費用は \(\dfrac{5000000 + 200x}{x} = 200 + \dfrac{5000000}{x}\) 円です。\(x \to \infty\) の極限はちょうど200円で、たくさん作るほど初期費用の影響が薄まり、1個あたりの費用は材料費に限りなく近づきます。
「分子・分母の次数が等しいとき、極限は最高次の係数の比」という、このページの計算そのものです。
電子回路のコンデンサの充電電圧、点滴を続けたときの薬の血中濃度、ヒーターで温める部屋の温度などは、時間とともに変化しながら一定の値(定常値)に落ち着いていきます。設計や投与計画では、この「時間を限りなく進めたときの行き先」=\(t \to \infty\) の極限を先に計算して、最終的に安全な値に収まるかを確かめます。
これらの式には指数関数が現れることが多い(この計算機の対象外)ですが、「極限で最終状態を見積もる」という考え方は共通です。
プログラムの処理時間はデータ件数 \(n\) の式で見積もられ、2つのアルゴリズムの優劣は「処理時間の比の \(n \to \infty\) の極限」で比べます。例えば処理時間が \(3n^{2} + 10n\) ステップと \(n^{2}\) ステップのプログラムの比 \(\dfrac{3n^{2}+10n}{n^{2}}\) は \(n \to \infty\) で \(3\) に収束するので、「定数倍の差しかない=同じオーダー」と判断されます。
この「多項式の比の数列の極限」は、情報系の学部・資格試験(計算量の理論)で実際に使われている道具です。
年利100%で年に \(n\) 回に分けて複利で利息を付けると、1年後の元利合計は元金の \(\left(1 + \dfrac{1}{n}\right)^{n}\) 倍になります。\(n\) を限りなく大きくした極限(連続複利)は \(e = 2.718\dots\) という数に収束し、この \(e\) は金融工学の利息計算やオプション価格の計算の土台になっています。
この式自体は多項式の比ではないためこの計算機の対象外ですが、「極限が生み出した重要な数」の代表例です。
式とグラフ
用語・記号の解説
記号
| \(\lim\) | リミット リム | 極限を表す記号。英語で「極限」を意味する limit の頭3文字です。下に「何をどこに近づけるか」(\(x \to a\) など)を書きます。 |
| \(x \to a\) | エックスをエーに近づける | 矢印は「限りなく近づける」ことを表します。\(x\) は \(a\) 以外の値をとりながら、いくらでも \(a\) に近い値になっていきます(\(a\) そのものにはなりません)。 |
| \(\infty\) | 無限大(むげんだい) | どの数よりも大きくなり続ける状態を表す記号。数ではないので「\(\infty\) に等しい」のではなく「限りなく大きくなる」ことを表します。マイナスを付けた \(-\infty\) は「限りなく小さくなる(負の方向に大きくなる)」ことです。 |
| \(a + 0,\ a - 0\) | エープラスゼロ・エーマイナスゼロ | \(a\) に「大きい側(右側)から」近づけることを \(x \to a + 0\)、「小さい側(左側)から」近づけることを \(x \to a - 0\) と書きます。右極限・左極限を表す記号です。 |
| \(f(x)\) | エフエックス | 関数。\(f\) は function(関数)の頭文字です。このページでは分子・分母が多項式の分数の形の関数です。 |
| \(\alpha\) | アルファ | 極限値を表すのによく使われる文字。ギリシャ文字の1番目で、「答えとして求まる値」に使う慣例があります。 |
| \(a_n\) | エーエヌ | 数列の第 \(n\) 項(\(n\) 番目の数)。数列の極限では、\(a_{n}\) を \(n\) の式で表して \(n \to \infty\) の行き先を調べます。 |
| \(n\) | エヌ | 自然数を表すのによく使われる文字。number(数)の頭文字です。数列では項の番号を表し、\(1, 2, 3, \dots\) と進みます。 |
| \(\dfrac{0}{0}\) | ゼロぶんのゼロ | 不定形の代表。分子・分母がどちらも \(0\) に近づく形で、このままでは極限の値が決まりません(約分などの変形をしてから求めます)。 |
用語
| 極限 | きょくげん | \(x\) をある値に限りなく近づけた(または限りなく大きくした)ときに、関数や数列の値が近づいていく先のこと。高校では数学IIIで本格的に学びます(数学IIでも微分の定義で軽く登場します)。 |
| 極限値 | きょくげんち | 極限として近づく先の「有限の値」。極限値が存在するとき、「収束する」といいます。 |
| 収束 | しゅうそく | 一定の有限の値に限りなく近づくこと。例えば \(\dfrac{1}{n}\) は \(n \to \infty\) で \(0\) に収束します。 |
| 発散 | はっさん | 収束しないこと。限りなく大きくなる(正の無限大に発散)、限りなく小さくなる(負の無限大に発散)、どちらにも定まらない(振動)があります。 |
| 不定形 | ふていけい | \(\dfrac{0}{0}\) や \(\dfrac{\infty}{\infty}\) のように、そのままでは極限が決まらない形。約分する・最高次の項で割るなどの変形をしてから求めます。 |
| 右極限 | みぎきょくげん | \(a\) より大きい側から近づけたときの極限(\(x \to a+0\))。左極限と両方が存在して一致するときだけ、\(x \to a\) の極限が存在します。 |
| 左極限 | ひだりきょくげん | \(a\) より小さい側から近づけたときの極限(\(x \to a-0\))。右極限と両方が存在して一致するときだけ、\(x \to a\) の極限が存在します。 |
| 分数関数 | ぶんすうかんすう | \(f(x) = \dfrac{x+1}{x-2}\) のように、分子・分母が多項式の分数の形の関数。有理関数とも呼びます。この計算機が扱うのはこの形です。 |
| 漸近線 | ぜんきんせん | 曲線が限りなく近づいていく直線。分母が \(0\) になる \(x\) の位置には縦の漸近線が、\(x \to \infty\) で有限の極限をもつときはその高さに横の漸近線が現れます。 |
| 因数分解 | いんすうぶんかい | 式を掛け算の形に直すこと(例:\(x^{2}-4 = (x-2)(x+2)\))。\(\dfrac{0}{0}\) の不定形では、\(0\) の原因になっている共通因数 \((x-a)\) を見つけるために使います。 |
| 約分 | やくぶん | 分子と分母を共通の因数で割って簡単にすること。数の分数(\(\dfrac{6}{4} = \dfrac{3}{2}\))と同じ操作を、式の分数でも行います。 |
| 数列 | すうれつ | 数を順に並べたもの。第 \(n\) 項を \(n\) の式で表し、\(n\) を限りなく大きくしたときの行き先(数列の極限)を考えます。 |
| 多項式 | たこうしき | \(2x^{3} - x + 5\) のように、\(x\) のべき乗に係数を掛けた項を足し合わせた式。整式とも呼びます。 |
| 連続 | れんぞく | 関数のグラフが \(x = a\) で「つながっている」こと。連続な点では、極限は \(x = a\) を代入するだけで求められます。多項式どうしの分数の形の関数は、分母が \(0\) にならない点ではすべて連続です。 |
前提として理解しておくといいこと
このページの計算を「意味がわかって」使えるようになるために、前提として理解しておくといいことをまとめました。
つまずいたら、この表の内容に戻って復習するのが近道です。
| 分数と約分(小学5年〜中学1年) |
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| 反比例のグラフ(中学1年) |
|
| 関数とは何か(中学1〜2年) |
|
| 因数分解(中学3年〜高校 数学I) |
|
| 多項式と次数・係数(中学2年〜高校 数学I) |
|
| 微分とのつながり(高校 数学II〜III) |
|
Excelで計算する方法
| x の値(2 に右から近づける) | 2.1 |
| x の値(さらに近く) | 2.01 |
| x の値(もっと近く) | 2.001 |
| f(x) の値(B1 の x) | =(B1^2-4)/(B1-2) |
| f(x) の値(B2 の x) | =(B2^2-4)/(B2-2) |
| f(x) の値(B3 の x) | =(B3^2-4)/(B3-2) |
| x の値(2 に左から近づける) | 1.9 |
| x の値(さらに近く) | 1.99 |
| x の値(もっと近く) | 1.999 |
| f(x) の値(B1 の x) | =(B1^2-4)/(B1-2) |
| f(x) の値(B2 の x) | =(B2^2-4)/(B2-2) |
| f(x) の値(B3 の x) | =(B3^2-4)/(B3-2) |
| x の値(大きくしていく) | 10 |
| x の値(もっと大きく) | 100 |
| x の値(さらに大きく) | 10000 |
| f(x) の値(B1 の x) | =(2*B1^2-B1)/(3*B1^2+1) |
| f(x) の値(B2 の x) | =(2*B2^2-B2)/(3*B2^2+1) |
| f(x) の値(B3 の x) | =(2*B3^2-B3)/(3*B3^2+1) |
| n の値(大きくしていく) | 10 |
| n の値(もっと大きく) | 100 |
| n の値(さらに大きく) | 10000 |
| aₙ の値(B1 の n) | =(3*B1+1)/(B1+2) |
| aₙ の値(B2 の n) | =(3*B2+1)/(B2+2) |
| aₙ の値(B3 の n) | =(3*B3+1)/(B3+2) |
1つ目の表では f(x) の値が 4.1 → 4.01 → 4.001 と、2つ目の表では 3.9 → 3.99 → 3.999 と変わり、右から近づけても左から近づけても 4 に近づくことが確認できます。
3つ目の表は約 0.631 → 0.663 → 0.6666 と 2/3 に、4つ目の表は約 2.58 → 2.95 → 2.9995 と 3 に近づきます。
「^」はべき乗、「*」は掛け算の記号です。x の値や式を書き換えて、いろいろな極限を観察してみてください。
Googleスプレッドシートで計算する方法
| x の値(2 に右から近づける) | 2.1 |
| x の値(さらに近く) | 2.01 |
| x の値(もっと近く) | 2.001 |
| f(x) の値(B1 の x) | =(B1^2-4)/(B1-2) |
| f(x) の値(B2 の x) | =(B2^2-4)/(B2-2) |
| f(x) の値(B3 の x) | =(B3^2-4)/(B3-2) |
| x の値(2 に左から近づける) | 1.9 |
| x の値(さらに近く) | 1.99 |
| x の値(もっと近く) | 1.999 |
| f(x) の値(B1 の x) | =(B1^2-4)/(B1-2) |
| f(x) の値(B2 の x) | =(B2^2-4)/(B2-2) |
| f(x) の値(B3 の x) | =(B3^2-4)/(B3-2) |
| x の値(大きくしていく) | 10 |
| x の値(もっと大きく) | 100 |
| x の値(さらに大きく) | 10000 |
| f(x) の値(B1 の x) | =(2*B1^2-B1)/(3*B1^2+1) |
| f(x) の値(B2 の x) | =(2*B2^2-B2)/(3*B2^2+1) |
| f(x) の値(B3 の x) | =(2*B3^2-B3)/(3*B3^2+1) |
| n の値(大きくしていく) | 10 |
| n の値(もっと大きく) | 100 |
| n の値(さらに大きく) | 10000 |
| aₙ の値(B1 の n) | =(3*B1+1)/(B1+2) |
| aₙ の値(B2 の n) | =(3*B2+1)/(B2+2) |
| aₙ の値(B3 の n) | =(3*B3+1)/(B3+2) |
Pythonで計算する方法
from sympy import symbols, limit, oo
x = symbols('x')
# 例1:0/0 の不定形(約分すると x + 2 になり、極限は 4)
print(limit((x**2 - 4) / (x - 2), x, 2))
# 例2:x → ∞(分子・分母とも2次なので、最高次の係数の比 2/3)
print(limit((2*x**2 - x) / (3*x**2 + 1), x, oo))
# 例3:x → −∞(分子の次数が高いので発散。答えは -oo と表示される)
print(limit((x**3 + 1) / (x**2 + 1), x, -oo))
# 例4:右極限・左極限(第4引数に '+'・'-' を渡す。一致しないので極限なし)
print(limit(1 / (x - 1), x, 1, '+'))
print(limit(1 / (x - 1), x, 1, '-'))
数式記述言語(LaTeX等)での書き方(コピペ可)
lim[x→a] f(x) = α
\lim_{x \to a} f(x) = \alpha
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<munder><mo>lim</mo><mrow><mi>x</mi><mo>→</mo><mi>a</mi></mrow></munder>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mi>α</mi>
</mrow>
</math>
lim_(x->a) f(x) = alpha
Limit[f[x], x -> a]
limit(f(x), x = a);
limit(f, x, a)
lim_(x→a) f(x) = α
lim[x→a] ((x−a)g(x))/((x−a)h(x)) = lim[x→a] g(x)/h(x) = g(a)/h(a)
\lim_{x \to a} \frac{(x-a)\,g(x)}{(x-a)\,h(x)} = \lim_{x \to a} \frac{g(x)}{h(x)} = \frac{g(a)}{h(a)}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<munder><mo>lim</mo><mrow><mi>x</mi><mo>→</mo><mi>a</mi></mrow></munder>
<mfrac>
<mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>−</mo><mi>a</mi><mo>)</mo><mi>g</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
<mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>−</mo><mi>a</mi><mo>)</mo><mi>h</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<munder><mo>lim</mo><mrow><mi>x</mi><mo>→</mo><mi>a</mi></mrow></munder>
<mfrac>
<mrow><mi>g</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
<mrow><mi>h</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow><mi>g</mi><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>)</mo></mrow>
<mrow><mi>h</mi><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>)</mo></mrow>
</mfrac>
</mrow>
</math>
lim_(x->a) ((x-a)g(x))/((x-a)h(x)) = lim_(x->a) g(x)/h(x) = g(a)/h(a)
Limit[((x - a) g[x])/((x - a) h[x]), x -> a]
limit(((x - a)*g(x))/((x - a)*h(x)), x = a);
limit(((x - a)*g)/((x - a)*h), x, a)
lim_(x→a) ((x−a)g(x))/((x−a)h(x)) = lim_(x→a) g(x)/h(x) = g(a)/h(a)
lim[x→∞] (pxᵐ + …)/(qxⁿ + …) = lim[x→∞] pxᵐ/qxⁿ
\lim_{x \to \infty} \frac{p x^{m} + \cdots}{q x^{n} + \cdots} = \lim_{x \to \infty} \frac{p x^{m}}{q x^{n}}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<munder><mo>lim</mo><mrow><mi>x</mi><mo>→</mo><mi>∞</mi></mrow></munder>
<mfrac>
<mrow><mi>p</mi><msup><mi>x</mi><mi>m</mi></msup><mo>+</mo><mo>⋯</mo></mrow>
<mrow><mi>q</mi><msup><mi>x</mi><mi>n</mi></msup><mo>+</mo><mo>⋯</mo></mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<munder><mo>lim</mo><mrow><mi>x</mi><mo>→</mo><mi>∞</mi></mrow></munder>
<mfrac>
<mrow><mi>p</mi><msup><mi>x</mi><mi>m</mi></msup></mrow>
<mrow><mi>q</mi><msup><mi>x</mi><mi>n</mi></msup></mrow>
</mfrac>
</mrow>
</math>
lim_(x->oo) (px^m + cdots)/(qx^n + cdots) = lim_(x->oo) (px^m)/(qx^n)
Limit[(p x^m)/(q x^n), x -> Infinity]
limit((p*x^m)/(q*x^n), x = infinity);
limit((p*x^m)/(q*x^n), x, Inf)
lim_(x→∞) (px^m + …)/(qx^n + …) = lim_(x→∞) px^m/qx^n
ChatGPT に聞いて計算してもらう方法
あなたは数学(極限)の計算アシスタントです。次の計算を、必ずPythonの数式処理ライブラリ sympy を実際に実行して行い、実行結果だけを根拠に回答してください(暗算や推測で答えないでください)。 次の2つの極限を計算してください。 1. lim[x→2] (x² − 4)/(x − 2) 2. lim[x→∞] (2x² − x)/(3x² + 1) それぞれについて、次の内容を示してください。 (a) そのまま代入すると 0/0 の不定形になるかどうかの判定 (b) 因数分解・約分など、途中の式変形(sympy の factor や cancel を使ってよい) (c) 極限の値(約分済みの分数で) 計算に使ったPythonコードと実行結果をそのまま示してください。
計算ドリル(演習問題)
このページの式を、自分の手で計算できるようになるための演習問題です。
答えと解説は解答ページにあります。
使い方
-
1数値を入力計算したい数値を入力欄に入力します
-
2計算「計算する」ボタンを押します
-
3結果を確認計算結果がその場に表示されます。計算の考え方や式の解説も同じページで確認できます
DataChefの特徴
専門知識不要、直感的で簡単な操作
個人情報を登録することなく使用できます
「ダウンロード」押下でファイルを自動削除
クレジット表記不要
商用利用許諾の連絡も不要です
