(1) $\lim_{n \to \infty} \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{n}{k^2 + 3kn + 2n^2}$ を求めよ。 (2) $\lim_{n \to \infty} n \sum_{k=1}^{2n} \frac{1}{(n+2k)^2}$ を求めよ。

解析学極限積分数列定積分
2025/7/23

1. 問題の内容

(1) limnk=n+12nnk2+3kn+2n2\lim_{n \to \infty} \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{n}{k^2 + 3kn + 2n^2} を求めよ。
(2) limnnk=12n1(n+2k)2\lim_{n \to \infty} n \sum_{k=1}^{2n} \frac{1}{(n+2k)^2} を求めよ。

2. 解き方の手順

(1)
k=n+12nnk2+3kn+2n2=k=n+12nn(k+n)(k+2n)\sum_{k=n+1}^{2n} \frac{n}{k^2 + 3kn + 2n^2} = \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{n}{(k+n)(k+2n)}
ここで,k+n=nx+n,k+2n=nx+2nk+n = nx+n, k+2n = nx+2n とすると,k=nxk = nxとできる.
k=n+1k=n+1 のとき,nx=n+1nx=n+1だから,x=1+1nx=1+\frac{1}{n}.
k=2nk=2n のとき,nx=2nnx=2nだから,x=2x=2.
よって,kknxnxに置き換えることを考えると,
limnk=n+12nnk2+3kn+2n2=limnk=n+12nn(k+n)(k+2n)=limnk=n+12nn(k+n)(k+2n)=limnk=n+12nnn21(x+1)(x+2)=limnk=n+12n1n1(1+kn)(2+kn)\lim_{n \to \infty} \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{n}{k^2 + 3kn + 2n^2} = \lim_{n \to \infty} \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{n}{(k+n)(k+2n)} = \lim_{n \to \infty} \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{n}{(k+n)(k+2n)} = \lim_{n \to \infty} \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{n}{n^2} \frac{1}{(x+1)(x+2)} = \lim_{n \to \infty} \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{1}{n} \frac{1}{(1+\frac{k}{n})(2+\frac{k}{n})}
ここで,f(x)=1(x+n)(x+2n)=1x+n1x+2nf(x) = \frac{1}{(x+n)(x+2n)} = \frac{1}{x+n} - \frac{1}{x+2n} とすると、部分分数分解をすると
1k+n1k+2n\frac{1}{k+n} - \frac{1}{k+2n}
nk2+3kn+2n2=n(k+n)(k+2n)=1k+n1k+2n\frac{n}{k^2+3kn+2n^2} = \frac{n}{(k+n)(k+2n)} = \frac{1}{k+n} - \frac{1}{k+2n}
k=n+12n(1k+n1k+2n)=k=n+12n1k+nk=n+12n1k+2n\sum_{k=n+1}^{2n} (\frac{1}{k+n} - \frac{1}{k+2n}) = \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{1}{k+n} - \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{1}{k+2n}
=(12n+1+12n+2++13n)(13n+1+13n+2++14n)= (\frac{1}{2n+1} + \frac{1}{2n+2} + \dots + \frac{1}{3n}) - (\frac{1}{3n+1} + \frac{1}{3n+2} + \dots + \frac{1}{4n})
=k=13n1kk=12n1k(k=14n1kk=13n1k)=k=13n1kk=12n1kk=14n1k+k=13n1k= \sum_{k=1}^{3n} \frac{1}{k} - \sum_{k=1}^{2n} \frac{1}{k} - (\sum_{k=1}^{4n} \frac{1}{k} - \sum_{k=1}^{3n} \frac{1}{k}) = \sum_{k=1}^{3n} \frac{1}{k} - \sum_{k=1}^{2n} \frac{1}{k} - \sum_{k=1}^{4n} \frac{1}{k} + \sum_{k=1}^{3n} \frac{1}{k}
=2k=13n1kk=12n1kk=14n1k= 2\sum_{k=1}^{3n} \frac{1}{k} - \sum_{k=1}^{2n} \frac{1}{k} - \sum_{k=1}^{4n} \frac{1}{k}
limnk=n+12nnk2+3kn+2n2=121(x+1)(x+2)dx=12(1x+11x+2)dx\lim_{n \to \infty} \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{n}{k^2+3kn+2n^2} = \int_1^2 \frac{1}{(x+1)(x+2)}dx = \int_1^2 (\frac{1}{x+1} - \frac{1}{x+2})dx
=[ln(x+1)ln(x+2)]12=[lnx+1x+2]12=ln34ln23=ln34×32=ln98= [\ln(x+1) - \ln(x+2)]_1^2 = [\ln\frac{x+1}{x+2}]_1^2 = \ln\frac{3}{4} - \ln\frac{2}{3} = \ln\frac{3}{4} \times \frac{3}{2} = \ln\frac{9}{8}
(2)
limnnk=12n1(n+2k)2=limnk=12nn(n+2k)2=limnk=12nnn2(1+2kn)2=limn1nk=12n1(1+2kn)2\lim_{n \to \infty} n \sum_{k=1}^{2n} \frac{1}{(n+2k)^2} = \lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{2n} \frac{n}{(n+2k)^2} = \lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{2n} \frac{n}{n^2(1+2\frac{k}{n})^2} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{2n} \frac{1}{(1+2\frac{k}{n})^2}
=021(1+2x)2dx= \int_0^2 \frac{1}{(1+2x)^2}dx
u=1+2xu=1+2x と置くと、du=2dxdu = 2dx
151u2du2=1215u2du=12[u1]15=12[1u]15=12[15(1)]=12[115]=12[45]=25\int_1^5 \frac{1}{u^2}\frac{du}{2} = \frac{1}{2} \int_1^5 u^{-2}du = \frac{1}{2} [-u^{-1}]_1^5 = \frac{1}{2}[-\frac{1}{u}]_1^5 = \frac{1}{2}[-\frac{1}{5} - (-1)] = \frac{1}{2} [1-\frac{1}{5}] = \frac{1}{2}[\frac{4}{5}] = \frac{2}{5}

3. 最終的な答え

(1) ln98\ln\frac{9}{8}
(2) 25\frac{2}{5}

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