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) $\lim_{x \to 0} \left( \frac{1}{\log(1+x)} - \frac{1}{x} \right)$ (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
2025/7/8

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} \left( \frac{1}{\log(1+x)} - \frac{1}{x} \right)
(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\lim_{x \to 0} \frac{\sin 4x}{\sin 5x}
limx0sin4xsin5x=limx0sin4x4x5xsin5x4x5x=limx0sin4x4xlimx05xsin5xlimx04x5x=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} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin 4x}{4x} \cdot \lim_{x \to 0} \frac{5x}{\sin 5x} \cdot \lim_{x \to 0} \frac{4x}{5x} = 1 \cdot 1 \cdot \frac{4}{5} = \frac{4}{5}
(2) limx0e3xexsin1x\lim_{x \to 0} \frac{e^{3x} - e^x}{\sin^{-1} x}
limx0e3xexsin1x=limx0e3xexxxsin1x=limx0e3xexxlimx0xsin1x\lim_{x \to 0} \frac{e^{3x} - e^x}{\sin^{-1} x} = \lim_{x \to 0} \frac{e^{3x} - e^x}{x} \cdot \frac{x}{\sin^{-1} x} = \lim_{x \to 0} \frac{e^{3x} - e^x}{x} \cdot \lim_{x \to 0} \frac{x}{\sin^{-1} x}
limx0e3xexx=limx0(1+3x+O(x2))(1+x+O(x2))x=limx02x+O(x2)x=2\lim_{x \to 0} \frac{e^{3x} - e^x}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{(1 + 3x + O(x^2)) - (1 + x + O(x^2))}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{2x + O(x^2)}{x} = 2
limx0xsin1x=1\lim_{x \to 0} \frac{x}{\sin^{-1} x} = 1
よって、limx0e3xexsin1x=21=2\lim_{x \to 0} \frac{e^{3x} - e^x}{\sin^{-1} x} = 2 \cdot 1 = 2
(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}
1+x2=1+12x2+O(x4)\sqrt{1+x^2} = 1 + \frac{1}{2}x^2 + O(x^4)
(1+x)1/3=1+13x19x2+O(x3)(1+x)^{1/3} = 1 + \frac{1}{3}x - \frac{1}{9}x^2 + O(x^3)
1+x21=12x2+O(x4)\sqrt{1+x^2} - 1 = \frac{1}{2}x^2 + O(x^4)
(1+x)1/3x/31=19x2+O(x3)(1+x)^{1/3} - x/3 - 1 = -\frac{1}{9}x^2 + O(x^3)
limx01+x21(1+x)1/3x/31=limx012x219x2=1/21/9=92\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x^2} - 1}{(1+x)^{1/3} - x/3 - 1} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2}x^2}{-\frac{1}{9}x^2} = \frac{1/2}{-1/9} = -\frac{9}{2}
(4) limx0log(cosx)sin2x\lim_{x \to 0} \frac{\log(\cos x)}{\sin^2 x}
cosx=1x22+O(x4)\cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + O(x^4)
log(cosx)=log(1x22+O(x4))=x22+O(x4)\log(\cos x) = \log(1 - \frac{x^2}{2} + O(x^4)) = -\frac{x^2}{2} + O(x^4)
sinx=x+O(x3)\sin x = x + O(x^3)
sin2x=x2+O(x4)\sin^2 x = x^2 + O(x^4)
limx0log(cosx)sin2x=limx0x22x2=12\lim_{x \to 0} \frac{\log(\cos x)}{\sin^2 x} = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{x^2}{2}}{x^2} = -\frac{1}{2}
(5) limx0(1log(1+x)1x)\lim_{x \to 0} \left( \frac{1}{\log(1+x)} - \frac{1}{x} \right)
limx0(1log(1+x)1x)=limx0xlog(1+x)xlog(1+x)\lim_{x \to 0} \left( \frac{1}{\log(1+x)} - \frac{1}{x} \right) = \lim_{x \to 0} \frac{x - \log(1+x)}{x \log(1+x)}
log(1+x)=xx22+x33+O(x4)\log(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} + O(x^4)
xlog(1+x)=x22x33+O(x4)x - \log(1+x) = \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3} + O(x^4)
xlog(1+x)=x(xx22+x33+O(x4))=x2x32+O(x4)x \log(1+x) = x(x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} + O(x^4)) = x^2 - \frac{x^3}{2} + O(x^4)
limx0xlog(1+x)xlog(1+x)=limx0x22x33x2x32=limx012x31x2=12\lim_{x \to 0} \frac{x - \log(1+x)}{x \log(1+x)} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}}{x^2 - \frac{x^3}{2}} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2} - \frac{x}{3}}{1 - \frac{x}{2}} = \frac{1}{2}
(6) limx0tanxsin1xex+log(1x)1\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - \sin^{-1} x}{e^x + \log(1-x) - 1}
tanx=x+x33+O(x5)\tan x = x + \frac{x^3}{3} + O(x^5)
sin1x=x+x36+O(x5)\sin^{-1} x = x + \frac{x^3}{6} + O(x^5)
ex=1+x+x22+x36+O(x4)e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + O(x^4)
log(1x)=xx22x33+O(x4)\log(1-x) = -x - \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3} + O(x^4)
tanxsin1x=x33x36+O(x5)=x36+O(x5)\tan x - \sin^{-1} x = \frac{x^3}{3} - \frac{x^3}{6} + O(x^5) = \frac{x^3}{6} + O(x^5)
ex+log(1x)1=(1+x+x22+x36)+(xx22x33)1+O(x4)=x36+O(x4)e^x + \log(1-x) - 1 = (1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6}) + (-x - \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}) - 1 + O(x^4) = -\frac{x^3}{6} + O(x^4)
limx0tanxsin1xex+log(1x)1=limx0x36x36=1\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - \sin^{-1} x}{e^x + \log(1-x) - 1} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{x^3}{6}}{-\frac{x^3}{6}} = -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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