技能一覧 › 数学III 極限

自然対数の底

を使って指数・対数を含む極限を求められる

前提

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算数中学高校大学大学院

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説明

指数の底が に近づき、同時に指数が限りなく大きくなる のような式は、そのままでは極限の値がわかりません。この形の極限の値として定まる特別な数が で、これを自然対数の底といいます。 を基準にして式を変形すると、 や 、 のような指数・対数を含む極限を求められます。

なぜそうしてよいのか

で とすると、底 は に近づくので値を小さく保とうとし、指数 は限りなく大きくなるので値を大きく(または小さく)しようとします。この二つが釣り合い、値はある一定の数に近づきます。実際に計算すると、 で 、 で 、 で 、負の側でも で となり、両側から同じ数 に近づきます(この極限が存在することは高校では認めて使います)。この数を と定めます。 を底とする対数 を自然対数といい、底を省いて と書きます。

を基準にすると、他の 型の極限は「足されている小さな部分」を とおき、指数を の何倍かに直すことで処理できます。例えば と指数法則で書き直せば、中身が に近づくので全体は に近づきます。

また対数の性質 を使うと、 のとき真数が に近づき、 は連続な関数なので が得られます。さらに とおくと で、 のとき なので も導けます。

手順

  1. 極限が「底 、指数 」の 型であることを確かめる(対数・指数の分数式なら手順5へ)。

  2. 底を の形に見て、 に足されている部分を とおく。 となることを確認し、元の変数を で表す。

  3. 指数を の形に書き直し、指数法則で と変形する。

  4. を使い、極限を と求める。

  5. 対数・指数を含む分数式では、、(どちらも の定義から導いたもの)の形が現れるよう、分母と分子を調整する。

例題

極限 を求めよ。

例題の解答

手順1: のとき底 、指数 は に発散するので 型である。
手順2: とおくと、 のとき であり、 なので となる( なので )。
手順3:。
手順4: より、

答え:

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

この技能を使う問題

この技能の次に学べること