(10) $\lim_{x \to 0} \frac{1 - \frac{x^2}{2} - \cos x}{\sin^4 x}$ (11) $\lim_{x \to 0} (\frac{1}{x} - \frac{1}{\sin x})$ (12) $\lim_{x \to +0} x^x$

解析学極限テイラー展開ロピタルの定理関数の極限
2025/7/31

1. 問題の内容

(10) limx01x22cosxsin4x\lim_{x \to 0} \frac{1 - \frac{x^2}{2} - \cos x}{\sin^4 x}
(11) limx0(1x1sinx)\lim_{x \to 0} (\frac{1}{x} - \frac{1}{\sin x})
(12) limx+0xx\lim_{x \to +0} x^x

2. 解き方の手順

(10)
まず、cosx \cos x の Taylor 展開を求めます。
cosx=1x22!+x44!x66!+...\cos x = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \frac{x^6}{6!} + ...
1x22cosx=1x22(1x22+x424x6720+...)1 - \frac{x^2}{2} - \cos x = 1 - \frac{x^2}{2} - (1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} - \frac{x^6}{720} + ...)
1x22cosx=x424+x6720...1 - \frac{x^2}{2} - \cos x = -\frac{x^4}{24} + \frac{x^6}{720} - ...
次に、sinx \sin x の Taylor 展開を求めます。
sinx=xx33!+x55!...\sin x = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - ...
sin4x=(xx36+...)4=x4(1x26+...)4=x42x63+O(x8)\sin^4 x = (x - \frac{x^3}{6} + ...)^4 = x^4(1 - \frac{x^2}{6} + ...)^4 = x^4 - \frac{2x^6}{3} + O(x^8)
したがって、
limx01x22cosxsin4x=limx0x424+x6720...x42x63+...=limx0124+x2720...12x23+...=124\lim_{x \to 0} \frac{1 - \frac{x^2}{2} - \cos x}{\sin^4 x} = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{x^4}{24} + \frac{x^6}{720} - ...}{x^4 - \frac{2x^6}{3} + ...} = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{1}{24} + \frac{x^2}{720} - ...}{1 - \frac{2x^2}{3} + ...} = -\frac{1}{24}
(11)
limx0(1x1sinx)=limx0sinxxxsinx\lim_{x \to 0} (\frac{1}{x} - \frac{1}{\sin x}) = \lim_{x \to 0} \frac{\sin x - x}{x \sin x}
sinx=xx33!+x55!...\sin x = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - ...
sinxx=x36+x5120...\sin x - x = -\frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - ...
xsinx=x(xx36+x5120...)=x2x46+x6120...x \sin x = x(x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - ...) = x^2 - \frac{x^4}{6} + \frac{x^6}{120} - ...
limx0sinxxxsinx=limx0x36+x5120...x2x46+x6120...=limx0x6+x3120...1x26+x4120...=0\lim_{x \to 0} \frac{\sin x - x}{x \sin x} = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - ...}{x^2 - \frac{x^4}{6} + \frac{x^6}{120} - ...} = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{x}{6} + \frac{x^3}{120} - ...}{1 - \frac{x^2}{6} + \frac{x^4}{120} - ...} = 0
(12)
limx+0xx\lim_{x \to +0} x^x
y=xxy = x^x
lny=xlnx\ln y = x \ln x
limx+0xlnx=limx+0lnx1x\lim_{x \to +0} x \ln x = \lim_{x \to +0} \frac{\ln x}{\frac{1}{x}}
ロピタルの定理より
limx+01x1x2=limx+0(x)=0\lim_{x \to +0} \frac{\frac{1}{x}}{-\frac{1}{x^2}} = \lim_{x \to +0} (-x) = 0
limx+0lny=0\lim_{x \to +0} \ln y = 0
limx+0y=e0=1\lim_{x \to +0} y = e^0 = 1

3. 最終的な答え

(10) -1/24
(11) 0
(12) 1

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