次の3つの極限値を求める問題です。 (1) $\lim_{x\to 0} \frac{\sin(-1 + \cos(\cos(x) - 1))}{x^4}$ (2) $\lim_{x\to \infty} \frac{\sqrt{x^2 + x + 1} - \sqrt{x^2}}{(\sqrt[3]{x+1} - \sqrt[3]{x})x^{2/3}}$ (3) $\lim_{x\to \infty} (3^x + 5^x)^{\frac{1}{x-1}}$

解析学極限テイラー展開関数の極限
2025/7/30

1. 問題の内容

次の3つの極限値を求める問題です。
(1) limx0sin(1+cos(cos(x)1))x4\lim_{x\to 0} \frac{\sin(-1 + \cos(\cos(x) - 1))}{x^4}
(2) limxx2+x+1x2(x+13x3)x2/3\lim_{x\to \infty} \frac{\sqrt{x^2 + x + 1} - \sqrt{x^2}}{(\sqrt[3]{x+1} - \sqrt[3]{x})x^{2/3}}
(3) limx(3x+5x)1x1\lim_{x\to \infty} (3^x + 5^x)^{\frac{1}{x-1}}

2. 解き方の手順

(1)
cos(x)=1x22+x424+O(x6)\cos(x) = 1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + O(x^6) より、
cos(x)1=x22+x424+O(x6)\cos(x) - 1 = -\frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + O(x^6)
cos(cos(x)1)=112(x22+x424)2+O(x6)\cos(\cos(x) - 1) = 1 - \frac{1}{2}(-\frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24})^2 + O(x^6)
cos(cos(x)1)1=12(x44)+O(x6)=x48+O(x6)\cos(\cos(x) - 1) - 1 = -\frac{1}{2}(\frac{x^4}{4}) + O(x^6) = -\frac{x^4}{8} + O(x^6)
1+cos(cos(x)1)=x48+O(x6)-1 + \cos(\cos(x) - 1) = -\frac{x^4}{8} + O(x^6)
sin(x)=x+O(x3)\sin(x) = x + O(x^3) を用いると、
sin(1+cos(cos(x)1))=x48+O(x6)\sin(-1 + \cos(\cos(x) - 1)) = -\frac{x^4}{8} + O(x^6)
limx0sin(1+cos(cos(x)1))x4=limx0x48+O(x6)x4=18\lim_{x\to 0} \frac{\sin(-1 + \cos(\cos(x) - 1))}{x^4} = \lim_{x\to 0} \frac{-\frac{x^4}{8} + O(x^6)}{x^4} = -\frac{1}{8}
(2)
x2+x+1x2=x2+x+1x2x2+x+1+x2=x+1x2+x+1+x=x(1+1x)x(1+1x+1x2+1)=1+1x1+1x+1x2+1\sqrt{x^2 + x + 1} - \sqrt{x^2} = \frac{x^2 + x + 1 - x^2}{\sqrt{x^2 + x + 1} + \sqrt{x^2}} = \frac{x + 1}{\sqrt{x^2 + x + 1} + x} = \frac{x(1 + \frac{1}{x})}{x(\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} + 1)} = \frac{1 + \frac{1}{x}}{\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} + 1}
x+13x3=(x+1)x(x+13)2+x+13x3+(x3)2=1(x+1)2/3+(x2+x)1/3+x2/3=1x2/3((1+1x)2/3+(1+1x)1/3+1)\sqrt[3]{x+1} - \sqrt[3]{x} = \frac{(x+1) - x}{(\sqrt[3]{x+1})^2 + \sqrt[3]{x+1}\sqrt[3]{x} + (\sqrt[3]{x})^2} = \frac{1}{(x+1)^{2/3} + (x^2 + x)^{1/3} + x^{2/3}} = \frac{1}{x^{2/3}((1+\frac{1}{x})^{2/3} + (1+\frac{1}{x})^{1/3} + 1)}
x2+x+1x2(x+13x3)x2/3=1+1x1+1x+1x2+11x2/3((1+1x)2/3+(1+1x)1/3+1)x2/3=(1+1x)((1+1x)2/3+(1+1x)1/3+1)1+1x+1x2+1\frac{\sqrt{x^2 + x + 1} - \sqrt{x^2}}{(\sqrt[3]{x+1} - \sqrt[3]{x})x^{2/3}} = \frac{\frac{1 + \frac{1}{x}}{\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} + 1}}{\frac{1}{x^{2/3}((1+\frac{1}{x})^{2/3} + (1+\frac{1}{x})^{1/3} + 1)}x^{2/3}} = \frac{(1 + \frac{1}{x})((1+\frac{1}{x})^{2/3} + (1+\frac{1}{x})^{1/3} + 1)}{\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} + 1}
limxx2+x+1x2(x+13x3)x2/3=(1+0)(1+1+1)1+0+0+1=32\lim_{x\to \infty} \frac{\sqrt{x^2 + x + 1} - \sqrt{x^2}}{(\sqrt[3]{x+1} - \sqrt[3]{x})x^{2/3}} = \frac{(1+0)(1+1+1)}{\sqrt{1+0+0} + 1} = \frac{3}{2}
(3)
limx(3x+5x)1x1=limx(5x(3x5x+1))1x1=limx5xx1(3x5x+1)1x1=limx5xx1((35)x+1)1x1\lim_{x\to \infty} (3^x + 5^x)^{\frac{1}{x-1}} = \lim_{x\to \infty} (5^x(\frac{3^x}{5^x} + 1))^{\frac{1}{x-1}} = \lim_{x\to \infty} 5^{\frac{x}{x-1}} (\frac{3^x}{5^x} + 1)^{\frac{1}{x-1}} = \lim_{x\to \infty} 5^{\frac{x}{x-1}} ((\frac{3}{5})^x + 1)^{\frac{1}{x-1}}
limxxx1=1\lim_{x\to \infty} \frac{x}{x-1} = 1
limx(35)x=0\lim_{x\to \infty} (\frac{3}{5})^x = 0
limx(0+1)1x1=10=1\lim_{x\to \infty} (0 + 1)^{\frac{1}{x-1}} = 1^0 = 1
よって、limx(3x+5x)1x1=511=5\lim_{x\to \infty} (3^x + 5^x)^{\frac{1}{x-1}} = 5^1 \cdot 1 = 5

3. 最終的な答え

(1) 18-\frac{1}{8}
(2) 32\frac{3}{2}
(3) 55

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