次の極限値を求めよ。ただし、 は自然対数の底である。
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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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
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)。
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。
指数を の形に書き直し、指数法則で と変形する。
を使い、極限を と求める。
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
底が に近づくから としてしまう誤り。 型は不定形で、正しくは とおいて 。
足されている部分と指数をそろえずに としてしまう誤り。 になるのは のように「足した部分」と「指数の逆数」が一致するときだけで、正しくは 。
符号を見落として としてしまう誤り。正しくは とおいて 。
としてしまう誤り。正しくは と の形をそろえてから 。
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
次の極限値を求めよ。ただし、 は自然対数の底である。
次の極限値を求めよ。ただし、 は自然対数の底である。
正の整数 に対し
とおく(積分は区間 上のルベーグ測度に関するもの)。極限 を求めよ。正の整数 に対し
とおく(積分は 上のルベーグ測度に関するもの)。極限 を求めよ。確率空間 上の確率変数 が区間 上の一様分布に従うとする。正の整数 に対して
とおく。極限 を求めよ。確率変数 は独立で同じ分布に従い、
を満たすとする。正の整数 に対して とおき、 の特性関数を
とする。実数 を固定したときの極限 を の式で求めよ。ただし は虚数単位である。確率変数 は独立同分布で、各 は
を満たすとする。 とおき、 の特性関数を
とする。 を固定した実数とするとき、極限 を の式で求めよ。
この技能を使う問題
次の極限値を求めよ。
次の極限値を求めよ。
正の整数 に対し
とおく(積分はルベーグ測度に関するもの)。極限 の値を求めよ。次の極限値を求めよ。
次の極限値を求めよ。
ただし、 は自然対数の底である。を正の定数とする。極限
が有限の値に収束するとき、その極限値を求めよ。は実数の定数とする。
が成り立つとき、 の値を求めよ。正の整数 に対し とおく(積分は区間 上のルベーグ測度に関するもの)。極限 の値を求めよ。
この技能の次に学べること
- 指数関数・対数関数の導関数 (数学III 微分法)
- 基本の極限の組合せ (数学III 極限)
- アレニウスの式と活性化エネルギー・触媒 (高校化学 反応速度)