与えられた問題は、極限 $\lim_{x \to +0} x^{\log(x+1)}$ を計算することです。ここで、$\log$ は自然対数(底が $e$ の対数)を表します。

解析学極限ロピタルの定理自然対数不定形
2025/6/17

1. 問題の内容

与えられた問題は、極限 limx+0xlog(x+1)\lim_{x \to +0} x^{\log(x+1)} を計算することです。ここで、log\log は自然対数(底が ee の対数)を表します。

2. 解き方の手順

まず、y=xlog(x+1)y = x^{\log(x+1)} とおき、両辺の自然対数を取ります。
logy=log(xlog(x+1))=log(x+1)logx\log y = \log (x^{\log(x+1)}) = \log(x+1) \cdot \log x
次に、極限を計算します。
limx+0logy=limx+0log(x+1)logx\lim_{x \to +0} \log y = \lim_{x \to +0} \log(x+1) \cdot \log x
x+0x \to +0 のとき、log(x+1)log(1)=0\log(x+1) \to \log(1) = 0 であり、logx\log x \to -\infty です。したがって、limx+0log(x+1)logx\lim_{x \to +0} \log(x+1) \cdot \log x0()0 \cdot (-\infty) の不定形です。
この不定形を解消するために、f(x)=log(x+1)1/logxf(x) = \frac{\log(x+1)}{1/\log x} と書き換えます。
x+0x \to +0 のとき、log(x+1)0\log(x+1) \to 0 であり、1/logx01/\log x \to 0 であるので、00\frac{0}{0} の不定形になっています。
そこで、ロピタルの定理を使うために、この式をf(x)=log(x+1)1/logxf(x) = \frac{\log(x+1)}{1/\log x} の形にします。
limx+0log(x+1)1/logx\lim_{x \to +0} \frac{\log(x+1)}{1/\log x}
ロピタルの定理を使うと、
limx+01x+11(logx)21x=limx+0x(logx)2x+1\lim_{x \to +0} \frac{\frac{1}{x+1}}{-\frac{1}{(\log x)^2}\frac{1}{x}} = \lim_{x \to +0} \frac{-x (\log x)^2}{x+1}
x+0x \to +0 のとき、x+11x+1 \to 1 です。したがって、
limx+0x(logx)2x+1=limx+0x(logx)2\lim_{x \to +0} \frac{-x (\log x)^2}{x+1} = \lim_{x \to +0} -x (\log x)^2
ここで、limx+0x(logx)2\lim_{x \to +0} x (\log x)^2 を計算します。
t=1/xt = 1/x とおくと、x=1/tx = 1/t であり、x+0x \to +0 のとき tt \to \infty です。
limx+0x(logx)2=limt1t(log1t)2=limt1t(logt)2=limt(logt)2t\lim_{x \to +0} x (\log x)^2 = \lim_{t \to \infty} \frac{1}{t} (\log \frac{1}{t})^2 = \lim_{t \to \infty} \frac{1}{t} (-\log t)^2 = \lim_{t \to \infty} \frac{(\log t)^2}{t}
再びロピタルの定理を使うと、
limt2logt1t1=limt2logtt\lim_{t \to \infty} \frac{2 \log t \cdot \frac{1}{t}}{1} = \lim_{t \to \infty} \frac{2 \log t}{t}
もう一度ロピタルの定理を使うと、
limt21t1=limt2t=0\lim_{t \to \infty} \frac{2 \cdot \frac{1}{t}}{1} = \lim_{t \to \infty} \frac{2}{t} = 0
したがって、limx+0logy=limx+0x(logx)2=0=0\lim_{x \to +0} \log y = \lim_{x \to +0} -x (\log x)^2 = -0 = 0
limx+0logy=0\lim_{x \to +0} \log y = 0 であるから、limx+0y=e0=1\lim_{x \to +0} y = e^0 = 1

3. 最終的な答え

limx+0xlog(x+1)=1\lim_{x \to +0} x^{\log(x+1)} = 1

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