以下の6つの極限値を求める問題です。 (1) $\lim_{x\to 0} \frac{\sin 4x}{\sin 5x}$ (2) $\lim_{x\to 0} \frac{e^{3x}-e^x}{\sin^{-1} x}$ (3) $\lim_{x\to 0} \frac{\sqrt{1+x^2}-1}{(1+x)^{1/3} - x/3 - 1}$ (4) $\lim_{x\to 0} \frac{\log(\cos x)}{\sin^2 x}$ (5) $\lim_{x\to 0} (\frac{1}{\log(1+x)} - \frac{1}{x})$ (6) $\lim_{x\to 0} \frac{\tan x - \sin^{-1} x}{e^x + \log(1-x) - 1}$

解析学極限テイラー展開ロピタルの定理
2025/7/4

1. 問題の内容

以下の6つの極限値を求める問題です。
(1) limx0sin4xsin5x\lim_{x\to 0} \frac{\sin 4x}{\sin 5x}
(2) limx0e3xexsin1x\lim_{x\to 0} \frac{e^{3x}-e^x}{\sin^{-1} x}
(3) limx01+x21(1+x)1/3x/31\lim_{x\to 0} \frac{\sqrt{1+x^2}-1}{(1+x)^{1/3} - x/3 - 1}
(4) limx0log(cosx)sin2x\lim_{x\to 0} \frac{\log(\cos x)}{\sin^2 x}
(5) limx0(1log(1+x)1x)\lim_{x\to 0} (\frac{1}{\log(1+x)} - \frac{1}{x})
(6) limx0tanxsin1xex+log(1x)1\lim_{x\to 0} \frac{\tan x - \sin^{-1} x}{e^x + \log(1-x) - 1}

2. 解き方の手順

(1) limx0sin4xsin5x=limx0sin4x4x5xsin5x4x5x=1145=45\lim_{x\to 0} \frac{\sin 4x}{\sin 5x} = \lim_{x\to 0} \frac{\sin 4x}{4x} \cdot \frac{5x}{\sin 5x} \cdot \frac{4x}{5x} = 1 \cdot 1 \cdot \frac{4}{5} = \frac{4}{5}
(2) limx0e3xexsin1x=limx0e3x1(ex1)sin1x=limx0e3x13xxsin1x3ex1xxsin1x1=113111=31=2\lim_{x\to 0} \frac{e^{3x}-e^x}{\sin^{-1} x} = \lim_{x\to 0} \frac{e^{3x}-1-(e^x-1)}{\sin^{-1} x} = \lim_{x\to 0} \frac{e^{3x}-1}{3x} \cdot \frac{x}{\sin^{-1} x} \cdot 3 - \frac{e^x-1}{x} \cdot \frac{x}{\sin^{-1} x} \cdot 1 = 1 \cdot 1 \cdot 3 - 1 \cdot 1 \cdot 1 = 3 - 1 = 2
(3) limx01+x21(1+x)1/3x/31=limx01+x21(1+x)1/3x/311+x2+11+x2+1=limx01+x21((1+x)1/3x/31)(1+x2+1)=limx0x2((1+x)1/3x/31)(1+x2+1)\lim_{x\to 0} \frac{\sqrt{1+x^2}-1}{(1+x)^{1/3} - x/3 - 1} = \lim_{x\to 0} \frac{\sqrt{1+x^2}-1}{(1+x)^{1/3} - x/3 - 1} \cdot \frac{\sqrt{1+x^2}+1}{\sqrt{1+x^2}+1} = \lim_{x\to 0} \frac{1+x^2-1}{((1+x)^{1/3} - x/3 - 1)(\sqrt{1+x^2}+1)} = \lim_{x\to 0} \frac{x^2}{((1+x)^{1/3} - x/3 - 1)(\sqrt{1+x^2}+1)}
(1+x)1/3=1+13x+13(131)2!x2+O(x3)=1+13x19x2+O(x3)(1+x)^{1/3} = 1 + \frac{1}{3}x + \frac{\frac{1}{3}(\frac{1}{3}-1)}{2!}x^2 + O(x^3) = 1 + \frac{1}{3}x - \frac{1}{9}x^2 + O(x^3)
(1+x)1/3x/31=1+13x19x2x31+O(x3)=19x2+O(x3)(1+x)^{1/3} - x/3 - 1 = 1 + \frac{1}{3}x - \frac{1}{9}x^2 - \frac{x}{3} - 1 + O(x^3) = -\frac{1}{9}x^2 + O(x^3)
よって、limx0x2((1+x)1/3x/31)(1+x2+1)=limx0x2(19x2)(2)=92\lim_{x\to 0} \frac{x^2}{((1+x)^{1/3} - x/3 - 1)(\sqrt{1+x^2}+1)} = \lim_{x\to 0} \frac{x^2}{(-\frac{1}{9}x^2)(2)} = -\frac{9}{2}
(4) limx0log(cosx)sin2x=limx0log(1+(cosx1))sin2x=limx0cosx1sin2x=limx0x22x2=12\lim_{x\to 0} \frac{\log(\cos x)}{\sin^2 x} = \lim_{x\to 0} \frac{\log(1+(\cos x - 1))}{\sin^2 x} = \lim_{x\to 0} \frac{\cos x - 1}{\sin^2 x} = \lim_{x\to 0} \frac{-\frac{x^2}{2}}{x^2} = -\frac{1}{2}
(5) limx0(1log(1+x)1x)=limx0xlog(1+x)xlog(1+x)=limx0x(xx22+x33)x(xx22+x33)=limx0x22x33+x2x32+=12\lim_{x\to 0} (\frac{1}{\log(1+x)} - \frac{1}{x}) = \lim_{x\to 0} \frac{x - \log(1+x)}{x \log(1+x)} = \lim_{x\to 0} \frac{x - (x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots)}{x(x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots)} = \lim_{x\to 0} \frac{\frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3} + \dots}{x^2 - \frac{x^3}{2} + \dots} = \frac{1}{2}
(6) limx0tanxsin1xex+log(1x)1=limx0(x+x33+)(x+x36+)(1+x+x22+x36+)+(xx22x33)1=limx0x36+x36+=1\lim_{x\to 0} \frac{\tan x - \sin^{-1} x}{e^x + \log(1-x) - 1} = \lim_{x\to 0} \frac{(x + \frac{x^3}{3} + \dots) - (x + \frac{x^3}{6} + \dots)}{(1+x+\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{6}+\dots) + (-x - \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3} - \dots) - 1} = \lim_{x\to 0} \frac{\frac{x^3}{6} + \dots}{-\frac{x^3}{6} + \dots} = -1

3. 最終的な答え

(1) 45\frac{4}{5}
(2) 22
(3) 92-\frac{9}{2}
(4) 12-\frac{1}{2}
(5) 12\frac{1}{2}
(6) 1-1

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