与えられた10個の極限値を求め、最後の展開式における係数Aを求める問題です。

解析学極限ロピタルの定理テイラー展開無限級数
2025/7/16

1. 問題の内容

与えられた10個の極限値を求め、最後の展開式における係数A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}
ロピタルの定理を3回適用します。
limx0tanxxx3=limx0sec2x13x2=limx02sec2xtanx6x=limx02sec4x+4sec2xtan2x6=26=13\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{\sec^2 x - 1}{3x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{2 \sec^2 x \tan x}{6x} = \lim_{x \to 0} \frac{2 \sec^4 x + 4 \sec^2 x \tan^2 x}{6} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}
(2) limx0(1x21sin2x)\lim_{x \to 0} (\frac{1}{x^2} - \frac{1}{\sin^2 x})
limx0sin2xx2x2sin2x=limx0(sinxx)(sinx+x)x2sin2x\lim_{x \to 0} \frac{\sin^2 x - x^2}{x^2 \sin^2 x} = \lim_{x \to 0} \frac{(\sin x - x)(\sin x + x)}{x^2 \sin^2 x}
sinx=xx33!+x55!\sin x = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \dotsを用いると、
sin2x=(xx36+)2=x2x43+\sin^2 x = (x - \frac{x^3}{6} + \dots)^2 = x^2 - \frac{x^4}{3} + \dots
sin2xx2=x43+\sin^2 x - x^2 = -\frac{x^4}{3} + \dots
x2sin2x=x4+x^2 \sin^2 x = x^4 + \dots
limx0x43x4=13\lim_{x \to 0} \frac{-\frac{x^4}{3}}{x^4} = -\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
esinx=1+sinx+sin2x2+sin3x6+=1+(xx36+)+(xx36+)22+(xx36+)36+=1+x+x22x36+x36+=1+x+x22+O(x4)e^{\sin x} = 1 + \sin x + \frac{\sin^2 x}{2} + \frac{\sin^3 x}{6} + \dots = 1 + (x - \frac{x^3}{6} + \dots) + \frac{(x - \frac{x^3}{6} + \dots)^2}{2} + \frac{(x - \frac{x^3}{6} + \dots)^3}{6} + \dots = 1 + x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{6} + \frac{x^3}{6} + \dots = 1 + x + \frac{x^2}{2} + O(x^4)
exesinx=x36(x36)+=x33+O(x4)e^x - e^{\sin x} = \frac{x^3}{6} - (-\frac{x^3}{6}) + \dots = \frac{x^3}{3} + O(x^4)
limx0x33x3=13\lim_{x \to 0} \frac{\frac{x^3}{3}}{x^3} = \frac{1}{3}
(4) limxπ/2esinxelog(sinx)\lim_{x \to \pi/2} \frac{e^{\sin x} - e}{\log(\sin x)}
x=π/2+hx = \pi/2 + hとするとxπ/2x \to \pi/2のときh0h \to 0
sinx=sin(π/2+h)=cosh\sin x = \sin(\pi/2 + h) = \cos h
limh0ecoshelog(cosh)\lim_{h \to 0} \frac{e^{\cos h} - e}{\log(\cos h)}
ロピタルの定理を適用すると、
limh0ecoshsinhsinhcosh=limh0ecoshcosh=e\lim_{h \to 0} \frac{-e^{\cos h} \sin h}{-\frac{\sin h}{\cos h}} = \lim_{h \to 0} e^{\cos h} \cos h = e
(5) limx1xxx1x+logx\lim_{x \to 1} \frac{x^x - x}{1 - x + \log x}
x=1+hx = 1 + hとおくと、x1x \to 1のときh0h \to 0
xx=(1+h)1+h=e(1+h)log(1+h)=e(1+h)(hh22+)=eh+h22+O(h3)=1+(h+h22)+(h+h22)22+=1+h+h22+h22+=1+h+h2+x^x = (1 + h)^{1+h} = e^{(1+h) \log(1+h)} = e^{(1+h)(h - \frac{h^2}{2} + \dots)} = e^{h + \frac{h^2}{2} + O(h^3)} = 1 + (h + \frac{h^2}{2}) + \frac{(h + \frac{h^2}{2})^2}{2} + \dots = 1 + h + \frac{h^2}{2} + \frac{h^2}{2} + \dots = 1 + h + h^2 + \dots
xxx=1+h+h2(1+h)+=h2+x^x - x = 1 + h + h^2 - (1 + h) + \dots = h^2 + \dots
1x+logx=1(1+h)+(hh22+)=h22+1 - x + \log x = 1 - (1 + h) + (h - \frac{h^2}{2} + \dots) = -\frac{h^2}{2} + \dots
limh0h2h22=2\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}
(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 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)
(1+x)1/xe=e(x2+11x224+)(1+x)^{1/x} - e = e (-\frac{x}{2} + \frac{11x^2}{24} + \dots)
limx0e(x2)x=e2\lim_{x \to 0} \frac{e (-\frac{x}{2})}{x} = -\frac{e}{2}
(7) limxx1/x\lim_{x \to \infty} x^{1/x}
limxx1/x=limxelogxx\lim_{x \to \infty} x^{1/x} = \lim_{x \to \infty} e^{\frac{\log x}{x}}
limxlogxx=0\lim_{x \to \infty} \frac{\log x}{x} = 0
limxelogxx=e0=1\lim_{x \to \infty} e^{\frac{\log x}{x}} = e^0 = 1
(8) limx0(ax+bx2)1/x\lim_{x \to 0} (\frac{a^x + b^x}{2})^{1/x}
limx0(ax+bx2)1/x=limx0e1xlog(ax+bx2)\lim_{x \to 0} (\frac{a^x + b^x}{2})^{1/x} = \lim_{x \to 0} e^{\frac{1}{x} \log (\frac{a^x + b^x}{2})}
ax=1+xloga+x22(loga)2+a^x = 1 + x \log a + \frac{x^2}{2} (\log a)^2 + \dots
bx=1+xlogb+x22(logb)2+b^x = 1 + x \log b + \frac{x^2}{2} (\log b)^2 + \dots
ax+bx2=2+x(loga+logb)+2=1+xloga+logb2+\frac{a^x + b^x}{2} = \frac{2 + x(\log a + \log b) + \dots}{2} = 1 + x \frac{\log a + \log b}{2} + \dots
log(ax+bx2)=xloga+logb2+=xlogab+\log (\frac{a^x + b^x}{2}) = x \frac{\log a + \log b}{2} + \dots = x \log \sqrt{ab} + \dots
limx0exlogabx=elogab=ab\lim_{x \to 0} e^{\frac{x \log \sqrt{ab}}{x}} = e^{\log \sqrt{ab}} = \sqrt{ab}
平方根に入るものは abab
(9) limx{xx2log(1+1x)}\lim_{x \to \infty} \{x - x^2 \log (1 + \frac{1}{x})\}
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+=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 = \frac{1}{2} - \frac{1}{3x} + \dots
limx{1213x}=12\lim_{x \to \infty} \{\frac{1}{2} - \frac{1}{3x}\} = \frac{1}{2}
(10) limxlogxlog(1+1x)\lim_{x \to \infty} \log x \log (1 + \frac{1}{x})
limxlogxlog(1+1x)=limxlogx(1x12x2+13x3)=limxlogxx=0\lim_{x \to \infty} \log x \log (1 + \frac{1}{x}) = \lim_{x \to \infty} \log x (\frac{1}{x} - \frac{1}{2x^2} + \frac{1}{3x^3} - \dots) = \lim_{x \to \infty} \frac{\log x}{x} = 0
展開式について、
11x=1+x+x2++xn+\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 + \dots + x^n + \dots
よって、A=1A = 1

3. 最終的な答え

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

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