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Calculus · real student question

f(x) = (x^2 − 1)/(x^2 − 3x + 2) はどの x の値で不連続か。それぞれの不連続点を除去可能か除去不可能かに分類し、理由も述べよ。

Question

xx がどの値のとき

f(x)=x2−1x2−3x+2f(x)=\frac{x^2-1}{x^2-3x+2}

は不連続になるか。それぞれの不連続点を除去可能・除去不可能に分類し、その理由を述べよ。

Step-by-step solution

  1. 候補を見つける:分母の零点。 有理関数は分母が 00 でないところではつねに連続なので、問題が起こりうるのは

    x2−3x+2=(x−1)(x−2)=0 ⟹ x=1, x=2.x^2-3x+2=(x-1)(x-2)=0\ \Longrightarrow\ x=1,\ x=2.

    のときだけである。

  2. 分子も因数分解する。分類を決めるのはここである。 x2−1=(x−1)(x+1)x^2-1=(x-1)(x+1) なので、

    f(x)=(x−1)(x+1)(x−1)(x−2).f(x)=\frac{(x-1)(x+1)}{(x-1)(x-2)}.

    不連続点が除去可能になるのは、問題の因子がちょうど約分できるときに限る。約分できれば両側極限が存在し、欠けているのは関数値だけになるからである。

  3. x=1x=1 を調べる:因子が約分されるので極限が存在する。 x≠1x\neq 1 では関数は x+1x−2\dfrac{x+1}{x-2} に等しいので、

    lim⁡x→1f(x)=1+11−2=−2,\lim_{x\to 1}f(x)=\frac{1+1}{1-2}=-2,

    である一方、f(1)f(1) は定義されていない。極限は存在するが(欠けている)関数値と一致しないので、x=1x=1 は除去可能な不連続点であり、(1,−2)(1,-2) に穴があく。f(1)=−2f(1)=-2 と定義し直せば連続にできる。

  4. x=2x=2 を調べる:因子が残る。 x=2x=2 の近くでは約分後の形 x+1x−2\dfrac{x+1}{x-2} において、分子は 3≠03\neq 0 に近づき分母は 00 に近づくので、

    lim⁡x→2−f(x)=−∞,lim⁡x→2+f(x)=+∞.\lim_{x\to 2^-}f(x)=-\infty,\qquad \lim_{x\to 2^+}f(x)=+\infty.

    数値で見ると f(1.999999)≈−3×106f(1.999999)\approx -3\times 10^{6}、f(2.000001)≈3×106f(2.000001)\approx 3\times 10^{6} である。有限の極限が存在しないので、定義し直しても直せない。x=2x=2 は除去不可能(垂直漸近線をもつ無限不連続)である。

  5. 理由を添えて結論する。 ff が不連続なのは x=1x=1 と x=2x=2 のときだけである。x=1x=1 は共通因子 x−1x-1 が約分でき極限 −2-2 が存在するので除去可能、x=2x=2 は片側極限が符号の異なる無限大になるので除去不可能である。

Answer

x=1 除去可能((1,−2) に穴);x=2 除去不可能(垂直漸近線)x=1\ \text{除去可能(}(1,-2)\text{ に穴)};\qquad x=2\ \text{除去不可能(垂直漸近線)}

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