## 問題の解答

解析学数列極限テイラー展開調和級数
2025/7/27
## 問題の解答
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1. 問題の内容

与えられた数列の極限を求める問題です。問題は以下の6つの数列について極限を求めるものです。
(1) an=12+32++(2n1)2n3a_n = \frac{1^2 + 3^2 + \dots + (2n-1)^2}{n^3}
(2) an=n(1+1n1)a_n = n(\sqrt{1+\frac{1}{n}} - 1)
(3) an=1!+2!++n!n!a_n = \frac{1! + 2! + \dots + n!}{n!}
(4) an=1logn+1log(n2)++1log(nn)a_n = \frac{1}{\log n} + \frac{1}{\log (n^2)} + \dots + \frac{1}{\log (n^n)}
(5) an=2nn!a_n = \frac{2^n}{n!}
(6) an=n32na_n = \frac{n^3}{2^n}
以下、それぞれの数列について極限を求めます。
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2. 解き方の手順

(1) an=12+32++(2n1)2n3a_n = \frac{1^2 + 3^2 + \dots + (2n-1)^2}{n^3}
まず、分子の和を計算します。
12+32++(2n1)2=k=1n(2k1)2=k=1n(4k24k+1)=4k=1nk24k=1nk+k=1n11^2 + 3^2 + \dots + (2n-1)^2 = \sum_{k=1}^{n} (2k-1)^2 = \sum_{k=1}^{n} (4k^2 - 4k + 1) = 4 \sum_{k=1}^{n} k^2 - 4 \sum_{k=1}^{n} k + \sum_{k=1}^{n} 1
=4n(n+1)(2n+1)64n(n+1)2+n=2n(n+1)(2n+1)32n(n+1)+n= 4 \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} - 4 \frac{n(n+1)}{2} + n = \frac{2n(n+1)(2n+1)}{3} - 2n(n+1) + n
=n3(2(n+1)(2n+1)6(n+1)+3)=n3(4n2+6n+26n6+3)=n3(4n21)=4n3n3= \frac{n}{3}(2(n+1)(2n+1) - 6(n+1) + 3) = \frac{n}{3}(4n^2 + 6n + 2 - 6n - 6 + 3) = \frac{n}{3}(4n^2 - 1) = \frac{4n^3 - n}{3}
したがって、an=4n3n3n3=4313n2a_n = \frac{4n^3 - n}{3n^3} = \frac{4}{3} - \frac{1}{3n^2}
limnan=limn(4313n2)=43\lim_{n \to \infty} a_n = \lim_{n \to \infty} (\frac{4}{3} - \frac{1}{3n^2}) = \frac{4}{3}
(2) an=n(1+1n1)a_n = n(\sqrt{1+\frac{1}{n}} - 1)
1+1n=1+121n+O(1n2)\sqrt{1+\frac{1}{n}} = 1 + \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{n} + O(\frac{1}{n^2})(テイラー展開)
an=n(1+12n+O(1n2)1)=n(12n+O(1n2))=12+O(1n)a_n = n(1 + \frac{1}{2n} + O(\frac{1}{n^2}) - 1) = n(\frac{1}{2n} + O(\frac{1}{n^2})) = \frac{1}{2} + O(\frac{1}{n})
limnan=limn(12+O(1n))=12\lim_{n \to \infty} a_n = \lim_{n \to \infty} (\frac{1}{2} + O(\frac{1}{n})) = \frac{1}{2}
または、
an=n(1+1n1)=n(1+1n)11+1n+1=n1n1+1n+1=11+1n+1a_n = n(\sqrt{1+\frac{1}{n}} - 1) = n \frac{(1+\frac{1}{n}) - 1}{\sqrt{1+\frac{1}{n}} + 1} = \frac{n \cdot \frac{1}{n}}{\sqrt{1+\frac{1}{n}} + 1} = \frac{1}{\sqrt{1+\frac{1}{n}} + 1}
limnan=11+0+1=12\lim_{n \to \infty} a_n = \frac{1}{\sqrt{1+0} + 1} = \frac{1}{2}
(3) an=1!+2!++n!n!a_n = \frac{1! + 2! + \dots + n!}{n!}
an=1!n!+2!n!++(n1)!n!+n!n!=1n!+2!n!++1n+1a_n = \frac{1!}{n!} + \frac{2!}{n!} + \dots + \frac{(n-1)!}{n!} + \frac{n!}{n!} = \frac{1}{n!} + \frac{2!}{n!} + \dots + \frac{1}{n} + 1
an=1+1n+1n(n1)++1n!a_n = 1 + \frac{1}{n} + \frac{1}{n(n-1)} + \dots + \frac{1}{n!}
an<1+1n+1n2++1nn1<111n=nn1a_n < 1 + \frac{1}{n} + \frac{1}{n^2} + \dots + \frac{1}{n^{n-1}} < \frac{1}{1 - \frac{1}{n}} = \frac{n}{n-1}
1<an<nn11 < a_n < \frac{n}{n-1}
limnnn1=1\lim_{n \to \infty} \frac{n}{n-1} = 1 なので、挟みうちの原理より limnan=1\lim_{n \to \infty} a_n = 1
(4) an=1logn+1log(n2)++1log(nn)a_n = \frac{1}{\log n} + \frac{1}{\log (n^2)} + \dots + \frac{1}{\log (n^n)}
an=1logn+12logn++1nlogn=1logn(1+12++1n)a_n = \frac{1}{\log n} + \frac{1}{2 \log n} + \dots + \frac{1}{n \log n} = \frac{1}{\log n} (1 + \frac{1}{2} + \dots + \frac{1}{n})
an=1lognk=1n1ka_n = \frac{1}{\log n} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}
調和級数 k=1n1klogn+γ\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k} \approx \log n + \gamma (γ\gammaはオイラー・マスケローニ定数)
anlogn+γlogn=1+γlogna_n \approx \frac{\log n + \gamma}{\log n} = 1 + \frac{\gamma}{\log n}
limnan=limn(1+γlogn)=1\lim_{n \to \infty} a_n = \lim_{n \to \infty} (1 + \frac{\gamma}{\log n}) = 1
(5) an=2nn!a_n = \frac{2^n}{n!}
an+1=2n+1(n+1)!=22n(n+1)n!=2n+1ana_{n+1} = \frac{2^{n+1}}{(n+1)!} = \frac{2 \cdot 2^n}{(n+1) n!} = \frac{2}{n+1} a_n
an+1an=2n+1\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{2}{n+1}
limnan+1an=limn2n+1=0<1\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n \to \infty} \frac{2}{n+1} = 0 < 1
したがって、limnan=0\lim_{n \to \infty} a_n = 0
(6) an=n32na_n = \frac{n^3}{2^n}
an+1=(n+1)32n+1=(n+1)322n=12(n+1)3n3ana_{n+1} = \frac{(n+1)^3}{2^{n+1}} = \frac{(n+1)^3}{2 \cdot 2^n} = \frac{1}{2} \frac{(n+1)^3}{n^3} a_n
an+1an=12(n+1n)3=12(1+1n)3\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{1}{2} (\frac{n+1}{n})^3 = \frac{1}{2} (1+\frac{1}{n})^3
limnan+1an=limn12(1+1n)3=12<1\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{2} (1+\frac{1}{n})^3 = \frac{1}{2} < 1
したがって、limnan=0\lim_{n \to \infty} a_n = 0
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3. 最終的な答え

(1) 43\frac{4}{3}
(2) 12\frac{1}{2}
(3) 11
(4) 11
(5) 00
(6) 00

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