与えられた10個の極限値を計算し、最後に与えられた展開式における係数A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
2025/7/16

1. 問題の内容

与えられた10個の極限値を計算し、最後に与えられた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}
tanx=x+x33+2x515+...\tan x = x + \frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} + ...なので、
limx0(x+x33+2x515+...)xx3=limx0x33+2x515+...x3=13\lim_{x \to 0} \frac{(x + \frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} + ...) - x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} + ...}{x^3} = \frac{1}{3}
(2) limx0(1x21sin2x)\lim_{x \to 0} (\frac{1}{x^2} - \frac{1}{\sin^2 x})
sinx=xx36+x5120...\sin x = x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - ...なので、
sin2x=(xx36+x5120...)2=x2x43+2x645...\sin^2 x = (x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - ...)^2 = x^2 - \frac{x^4}{3} + \frac{2x^6}{45} - ...
1sin2x=1x2x43+2x645...=1x2(1x23+2x445...)1=1x2(1+x23+O(x4))\frac{1}{\sin^2 x} = \frac{1}{x^2 - \frac{x^4}{3} + \frac{2x^6}{45} - ...} = \frac{1}{x^2}(1 - \frac{x^2}{3} + \frac{2x^4}{45} - ...)^{-1} = \frac{1}{x^2}(1 + \frac{x^2}{3} + O(x^4))
limx0(1x21sin2x)=limx0(1x21x2(1+x23+...))=limx0(13+O(x2))=13\lim_{x \to 0} (\frac{1}{x^2} - \frac{1}{\sin^2 x}) = \lim_{x \to 0} (\frac{1}{x^2} - \frac{1}{x^2}(1 + \frac{x^2}{3} + ...)) = \lim_{x \to 0} (-\frac{1}{3} + O(x^2)) = -\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} + ...
esinx=1+sinx+sin2x2+sin3x6+...=1+(xx36+...)+(xx36+...)22+(xx36+...)36+...=1+x+x22x48+...x36+x36+O(x4)e^{\sin x} = 1 + \sin x + \frac{\sin^2 x}{2} + \frac{\sin^3 x}{6} + ... = 1 + (x - \frac{x^3}{6} + ...) + \frac{(x - \frac{x^3}{6} + ...)^2}{2} + \frac{(x - \frac{x^3}{6} + ...)^3}{6} + ... = 1 + x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{8} + ... - \frac{x^3}{6} + \frac{x^3}{6} + O(x^4)
exesinx=(1+x+x22+x36+...)(1+x+x22x36+...)=x33+O(x4)e^x - e^{\sin x} = (1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + ...) - (1 + x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{6} + ...) = \frac{x^3}{3} + O(x^4)
limx0exesinxx3=limx0x33+O(x4)x3=13\lim_{x \to 0} \frac{e^x - e^{\sin x}}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{x^3}{3} + O(x^4)}{x^3} = \frac{1}{3}
(4) limxπ/2esinxelogsinx\lim_{x \to \pi/2} \frac{e^{\sin x} - e}{\log \sin x}
t=sinxt = \sin x とおくと、xπ/2x \to \pi/2 のとき、t1t \to 1
limxπ/2esinxelogsinx=limt1etelogt=limt1et1t=limt1tet=e\lim_{x \to \pi/2} \frac{e^{\sin x} - e}{\log \sin x} = \lim_{t \to 1} \frac{e^t - e}{\log t} = \lim_{t \to 1} \frac{e^t}{\frac{1}{t}} = \lim_{t \to 1} te^t = 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
limx1xxx1x+logx=limh0(1+h)1+h(1+h)1(1+h)+log(1+h)\lim_{x \to 1} \frac{x^x - x}{1 - x + \log x} = \lim_{h \to 0} \frac{(1+h)^{1+h} - (1+h)}{1 - (1+h) + \log(1+h)}
limh0(1+h)e(1+h)log(1+h)(1+h)h+(hh22+...)=limh0(1+h)e(1+h)(hh22+...)(1+h)h22=limh0(1+h)(1+(1+h)(hh22+...)+...)(1+h)h22=limh0(1+h)(1+hh22+h2+...)(1+h)h22=limh01+h+h+h2+h22(1+h)h22=limh0hh22+h2+...+O(h3)hh22+O(h3)=limh0(1+h)h22+O(h3)(1h)(h2/2)+O(h3)\lim_{h \to 0} \frac{(1+h)e^{(1+h)\log(1+h)} - (1+h)}{-h + (h - \frac{h^2}{2} + ...)} = \lim_{h \to 0} \frac{(1+h)e^{(1+h)(h-\frac{h^2}{2} + ...)} - (1+h)}{-\frac{h^2}{2}} = \lim_{h \to 0} \frac{(1+h)(1 + (1+h)(h-\frac{h^2}{2} + ...) + ...) - (1+h)}{-\frac{h^2}{2}} = \lim_{h \to 0} \frac{(1+h)(1 + h - \frac{h^2}{2} + h^2 + ...) - (1+h)}{-\frac{h^2}{2}} = \lim_{h \to 0} \frac{1+h+h+h^2+\frac{h^2}{2}-(1+h)}{-\frac{h^2}{2}} = \lim_{h \to 0} \frac{h - \frac{h^2}{2}+h^2+... +O(h^3)}{h - \frac{h^2}{2}+ O(h^3)} = \lim_{h \to 0} \frac{(1+h) - \frac{h^2}{2} + O(h^3)}{(1-h) - (h^2/2) + O(h^3)}
=limh02h+O(h2)h22=2 = \lim_{h \to 0} \frac{2h+O(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(1+(x2+x23...)+(x2+x23...)22+...)=e(1x2+x23+x28+...)=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}-...)} = e^{1-\frac{x}{2}+\frac{x^2}{3}-...} = e \cdot e^{-\frac{x}{2}+\frac{x^2}{3}-...} = e(1 + (-\frac{x}{2}+\frac{x^2}{3}-...) + \frac{(-\frac{x}{2}+\frac{x^2}{3}-...)^2}{2} + ...) = e(1-\frac{x}{2}+\frac{x^2}{3} + \frac{x^2}{8} + ...) = e(1-\frac{x}{2}+\frac{11x^2}{24} + ...)
limx0(1+x)1/xex=limx0e(1x2+11x224+...)ex=limx0e(x2+11x224+...)x=e2\lim_{x \to 0} \frac{(1+x)^{1/x} - e}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{e(1-\frac{x}{2}+\frac{11x^2}{24} + ...) - e}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{e(-\frac{x}{2}+\frac{11x^2}{24} + ...)}{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 なので、
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} (a, b > 0)
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+(xloga)22+...a^x = 1 + x \log a + \frac{(x \log a)^2}{2} + ...
bx=1+xlogb+(xlogb)22+...b^x = 1 + x \log b + \frac{(x \log b)^2}{2} + ...
ax+bx2=1+xloga+(xloga)22+...+1+xlogb+(xlogb)22+...2=1+xloga+logb2+...=1+xlogab+...\frac{a^x + b^x}{2} = \frac{1 + x \log a + \frac{(x \log a)^2}{2} + ... + 1 + x \log b + \frac{(x \log b)^2}{2} + ...}{2} = 1 + x \frac{\log a + \log b}{2} + ... = 1 + x \log \sqrt{ab} + ...
log(ax+bx2)=log(1+xlogab+...)=xlogab+O(x2)\log(\frac{a^x + b^x}{2}) = \log(1 + x \log \sqrt{ab} + ...) = x \log \sqrt{ab} + O(x^2)
limx0e1xlog(ax+bx2)=limx0e1x(xlogab+...)=elogab=ab\lim_{x \to 0} e^{\frac{1}{x} \log(\frac{a^x + b^x}{2})} = \lim_{x \to 0} e^{\frac{1}{x} (x \log \sqrt{ab} + ...)} = 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} - ...
xx2log(1+1x)=xx2(1x12x2+13x3...)=x(x12+13x...)=1213x+...x - x^2 \log(1 + \frac{1}{x}) = x - x^2 (\frac{1}{x} - \frac{1}{2x^2} + \frac{1}{3x^3} - ...) = x - (x - \frac{1}{2} + \frac{1}{3x} - ...) = \frac{1}{2} - \frac{1}{3x} + ...
limx{xx2log(1+1x)}=12\lim_{x \to \infty} \{x - x^2 \log(1 + \frac{1}{x})\} = \frac{1}{2}
(10) limxlogxlog(1+1x)\lim_{x \to \infty} \log x \log(1 + \frac{1}{x})
limxlogxlog(1+1x)=limxlogx(1x12x2+...)=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} + ...) = \lim_{x \to \infty} \frac{\log x}{x} = 0
展開式: 11x=1+x+x2+...+Axn+...\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 + ... + Ax^n + ...より、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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