与えられた10個の極限値を求める問題と、1つの展開式の係数を求める問題です。

解析学極限テイラー展開ロピタルの定理関数
2025/7/16

1. 問題の内容

与えられた10個の極限値を求める問題と、1つの展開式の係数を求める問題です。

2. 解き方の手順

(1) limx0tanxxx3\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - x}{x^3}
tanx=x+x33+2x515+\tan x = x + \frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} + \dots を使うと、
limx0(x+x33+2x515+)xx3=limx0x33+2x515+x3=limx0(13+2x215+)=13\lim_{x \to 0} \frac{(x + \frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} + \dots) - x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} + \dots}{x^3} = \lim_{x \to 0} (\frac{1}{3} + \frac{2x^2}{15} + \dots) = \frac{1}{3}
(2) limx0(1x21sin2x)\lim_{x \to 0} \left( \frac{1}{x^2} - \frac{1}{\sin^2 x} \right)
sinx=xx36+x5120\sin x = x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - \dots
sin2x=(xx36+x5120)2=x2x43+2x645\sin^2 x = (x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - \dots)^2 = x^2 - \frac{x^4}{3} + \frac{2x^6}{45} - \dots
1sin2x=1x2x43+2x645=1x211x23+2x445=1x2(1+x23+x415+)=1x2+13+x215+\frac{1}{\sin^2 x} = \frac{1}{x^2 - \frac{x^4}{3} + \frac{2x^6}{45} - \dots} = \frac{1}{x^2} \cdot \frac{1}{1 - \frac{x^2}{3} + \frac{2x^4}{45} - \dots} = \frac{1}{x^2} (1 + \frac{x^2}{3} + \frac{x^4}{15} + \dots) = \frac{1}{x^2} + \frac{1}{3} + \frac{x^2}{15} + \dots
limx0(1x2(1x2+13+x215+))=limx0(13x215)=13\lim_{x \to 0} \left( \frac{1}{x^2} - (\frac{1}{x^2} + \frac{1}{3} + \frac{x^2}{15} + \dots) \right) = \lim_{x \to 0} \left( -\frac{1}{3} - \frac{x^2}{15} - \dots \right) = -\frac{1}{3}
(3) limx0exesinxx3\lim_{x \to 0} \frac{e^x - e^{\sin x}}{x^3}
ex=1+x+x22+x36+e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \dots
sinx=xx36+\sin x = x - \frac{x^3}{6} + \dots
esinx=1+(xx36)+(xx36)22+(xx36)36+=1+xx36+x22x46+x36+=1+x+x22x46+e^{\sin x} = 1 + (x - \frac{x^3}{6}) + \frac{(x - \frac{x^3}{6})^2}{2} + \frac{(x - \frac{x^3}{6})^3}{6} + \dots = 1 + x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{6} + \frac{x^3}{6} + \dots = 1 + x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{6} + \dots
limx0(1+x+x22+x36+)(1+x+x22x46+)x3=limx0x36+O(x4)x3=16\lim_{x \to 0} \frac{(1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \dots) - (1 + x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{6} + \dots)}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{x^3}{6} + O(x^4)}{x^3} = \frac{1}{6}
(4) limxπ/2esinxelogsinx\lim_{x \to \pi/2} \frac{e^{\sin x} - e}{\log \sin x}
y=sinxy = \sin x と置くと、xπ/2x \to \pi/2 のとき y1y \to 1
limy1eyelogy\lim_{y \to 1} \frac{e^y - e}{\log y}
y=1+hy = 1 + h と置くと、y1y \to 1 のとき h0h \to 0
limh0e1+helog(1+h)=limh0e(eh1)log(1+h)=limh0eeh1hhlog(1+h)=e11=e\lim_{h \to 0} \frac{e^{1+h} - e}{\log (1+h)} = \lim_{h \to 0} \frac{e(e^h - 1)}{\log (1+h)} = \lim_{h \to 0} e \frac{e^h - 1}{h} \frac{h}{\log (1+h)} = e \cdot 1 \cdot 1 = e
(5) limx1xxx1x+logx\lim_{x \to 1} \frac{x^x - x}{1 - x + \log x}
x=1+hx = 1 + h と置くと、x1x \to 1 のとき h0h \to 0
xx=(1+h)1+h=e(1+h)log(1+h)=e(1+h)(hh22+h33)=eh+h22h36+=1+(h+h22h36)+(h+h22)22+=1+h+h22+h22+O(h3)=1+h+h2+O(h3)x^x = (1+h)^{1+h} = e^{(1+h) \log(1+h)} = e^{(1+h)(h - \frac{h^2}{2} + \frac{h^3}{3} - \dots)} = e^{h + \frac{h^2}{2} - \frac{h^3}{6} + \dots} = 1 + (h + \frac{h^2}{2} - \frac{h^3}{6}) + \frac{(h + \frac{h^2}{2})^2}{2} + \dots = 1 + h + \frac{h^2}{2} + \frac{h^2}{2} + O(h^3) = 1 + h + h^2 + O(h^3)
logx=log(1+h)=hh22+h33\log x = \log (1+h) = h - \frac{h^2}{2} + \frac{h^3}{3} - \dots
limh0(1+h)1+h(1+h)1(1+h)+log(1+h)=limh01+h+h2(1+h)+O(h3)11h+hh22+O(h3)=limh0h2h22=2\lim_{h \to 0} \frac{(1+h)^{1+h} - (1+h)}{1 - (1+h) + \log(1+h)} = \lim_{h \to 0} \frac{1 + h + h^2 - (1+h) + O(h^3)}{1 - 1 - h + h - \frac{h^2}{2} + O(h^3)} = \lim_{h \to 0} \frac{h^2}{-\frac{h^2}{2}} = -2
(6) limx0(1+x)1/xex\lim_{x \to 0} \frac{(1+x)^{1/x} - e}{x}
limx0(1+x)1/x=e\lim_{x \to 0} (1+x)^{1/x} = e, (1+x)1/x=e1xlog(1+x)=e1x(xx22+x33)=e1x2+x23=eex2+x23=e(1x2+x23+(x2)22+)=e(1x2+11x224+)(1+x)^{1/x} = e^{\frac{1}{x} \log(1+x)} = e^{\frac{1}{x}(x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots)} = e^{1 - \frac{x}{2} + \frac{x^2}{3} - \dots} = e \cdot e^{-\frac{x}{2} + \frac{x^2}{3} - \dots} = e (1 - \frac{x}{2} + \frac{x^2}{3} + \frac{(-\frac{x}{2})^2}{2} + \dots) = e(1 - \frac{x}{2} + \frac{11x^2}{24} + \dots)
limx0e(1x2+11x224+)ex=limx0eex2+11ex224ex=limx0ex2+11ex224x=e2\lim_{x \to 0} \frac{e(1 - \frac{x}{2} + \frac{11x^2}{24} + \dots) - e}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{e - \frac{ex}{2} + \frac{11ex^2}{24} - e}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{ex}{2} + \frac{11ex^2}{24}}{x} = -\frac{e}{2}
(7) limxx1/x\lim_{x \to \infty} x^{1/x}
y=x1/xy = x^{1/x}
logy=logxx\log y = \frac{\log x}{x}
limxlogy=limxlogxx=0\lim_{x \to \infty} \log y = \lim_{x \to \infty} \frac{\log x}{x} = 0
limxy=e0=1\lim_{x \to \infty} y = e^0 = 1
(8) limx0(ax+bx2)1/x\lim_{x \to 0} \left(\frac{a^x + b^x}{2}\right)^{1/x} (a, b > 0)
limx0(ax+bx2)1/x=limx0e1xlog(ax+bx2)\lim_{x \to 0} \left(\frac{a^x + b^x}{2}\right)^{1/x} = \lim_{x \to 0} e^{\frac{1}{x} \log (\frac{a^x + b^x}{2})}
ax=1+xloga+(xloga)22!+a^x = 1 + x \log a + \frac{(x \log a)^2}{2!} + \dots
bx=1+xlogb+(xlogb)22!+b^x = 1 + x \log b + \frac{(x \log b)^2}{2!} + \dots
ax+bx2=1+xloga+logb2+x22(loga)2+(logb)22+\frac{a^x + b^x}{2} = 1 + x \frac{\log a + \log b}{2} + \frac{x^2}{2} \frac{(\log a)^2 + (\log b)^2}{2} + \dots
log(ax+bx2)=log(1+xloga+logb2+x22(loga)2+(logb)22+)=xloga+logb2+O(x2)\log(\frac{a^x + b^x}{2}) = \log(1 + x \frac{\log a + \log b}{2} + \frac{x^2}{2} \frac{(\log a)^2 + (\log b)^2}{2} + \dots) = x \frac{\log a + \log b}{2} + O(x^2)
limx01xlog(ax+bx2)=limx01x(xloga+logb2)=loga+logb2=logab\lim_{x \to 0} \frac{1}{x} \log (\frac{a^x + b^x}{2}) = \lim_{x \to 0} \frac{1}{x} (x \frac{\log a + \log b}{2}) = \frac{\log a + \log b}{2} = \log \sqrt{ab}
limx0(ax+bx2)1/x=elogab=ab\lim_{x \to 0} \left(\frac{a^x + b^x}{2}\right)^{1/x} = e^{\log \sqrt{ab}} = \sqrt{ab}
(9) limx{xx2log(1+1x)}\lim_{x \to \infty} \left\{ x - x^2 \log \left(1 + \frac{1}{x} \right) \right\}
log(1+1x)=1x12x2+13x3\log(1 + \frac{1}{x}) = \frac{1}{x} - \frac{1}{2x^2} + \frac{1}{3x^3} - \dots
xx2log(1+1x)=xx2(1x12x2+13x3)=xx+1213x+x - x^2 \log(1 + \frac{1}{x}) = x - x^2 (\frac{1}{x} - \frac{1}{2x^2} + \frac{1}{3x^3} - \dots) = x - x + \frac{1}{2} - \frac{1}{3x} + \dots
limx(xx2log(1+1x))=limx(1213x+)=12\lim_{x \to \infty} (x - x^2 \log(1 + \frac{1}{x})) = \lim_{x \to \infty} (\frac{1}{2} - \frac{1}{3x} + \dots) = \frac{1}{2}
(10) limxlogxlog(1+1x)\lim_{x \to \infty} \log x \log (1 + \frac{1}{x})
limxlogxlog(1+1x)=limxlogx(1x12x2+13x3)=limxlogxxlogx2x2+=0\lim_{x \to \infty} \log x \log (1 + \frac{1}{x}) = \lim_{x \to \infty} \log x \left(\frac{1}{x} - \frac{1}{2x^2} + \frac{1}{3x^3} - \dots \right) = \lim_{x \to \infty} \frac{\log x}{x} - \frac{\log x}{2x^2} + \dots = 0
11x=1+x+x2++Axn+\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 + \dots + A x^n + \dotsよりA=1A=1

3. 最終的な答え

(1) 1/3
(2) -1/3
(3) 1/6
(4) e
(5) -2
(6) -e/2
(7) 1
(8) ab
(9) 1/2
(10) 0
A:1

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