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回演習問題の解答

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Academic year: 2021

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(1)

微積分I 演習

(

第

6

回演習問題の解答

)

問題6-1 次の極限を求めよ。

(1) lim

x→0

sinx

xcosx (2) lim

x→0xx (3) lim

x→0

„x−sinx

x −1−cosx x2

«

(解)

(1) lim

x→0

cosx

cosx−xsinx= 1であるから、ロピタルの定理から、lim

x→0

sinx

xcosx = 1が成り立つ。

(2) lim

x→0logxx= lim

x→0xlogx= 0である。ゆえに、logxの連続であることから、lim

x→0xx= 1 (3) lim

x→0

2−3 cosx+xsinx

2 =−1

2から、ロピタルの定理から、lim

x→0

2x−sinx−xcosx−sinx

2x =−1

2 また、lim

x→0

x2−xsinx−1 + cosx

x2 = lim

x→0

„x−sinx

x −1−cosx x2

«

=−1 2

■ 問題6-2 以下の関数をo(x3) (x→0)を用いてなるべく簡単な多項式で近似せよ。

(1) cosx (2) log(x+ 1) (3) tanx

(解)

(1) lim

x→0

cosx−(a+bx+cx2+dx3)

x3 = 0となるa, b, c, dを求める。極限が存在するため、分子は0に収束しなければなら

ない。よってa= 1となる。このとき、極限は不定形なのでロピタルの定理から lim

x→0

−sinx−(b+ 2cx+ 3dx2)

3x2 = 0であれ

ばよい。特にこの分子は0に収束するからb= 0でなければならない。このとき極限は不定形なので、ロピタルの定理から、

x→0lim

−cosx−(2c+ 6dx)

6x = 0であればよい。特にこの分子は0に収束するからc=−1

2でなければならない。このとき、極 限は不定形であるから、ロピタルの定理から、lim

x→0

sinx−6d

6 = 0であればよい。特にこの分子は0に収束するからd= 0で なければならない。つまり、cosxはx= 0で多項式1−1

2x2+o(x3)で近似できる。

(2) lim

x→0

log(x+ 1)−(a+bx+cx2+dx3)

x3 = 0となるa, b, c, dを求める。極限が存在するため、分子は0に収束しなけれ

ばならない。よってa= 0となる。このとき、極限は不定形なのでロピタルの定理からlim

x→0 1

x+1−(b+ 2cx+ 3dx2)

3x2 = 0であ

ればよい。特にこの分子は0に収束するからb= 1でなければならない。このとき、極限は不定形なので、ロピタルの定理か ら、lim

x→0

−(x+1)1 2−(2c+ 6dx)

6x = 0であればよい。特にこの分子は0に収束するからc=−1

2 でなければらない。このとき、

極限は不定形なので、ロピタルの定理から、lim

x→0 2 (x+1)3 −6d

6 = 0であればよい。特にこの分子は0に収束するからd= 1 3で なければならない。つまり、log(x+ 1)はx= 0において、x−1

2x2+1

3x3+o(x3)と近似できる。

(3) lim

x→0

tanx−(a+bx+cx2+dx3)

x3 = 0となる a, b, c, dを求める。極限が存在するため、分子は 0でなければなら

ない。よって、a = 0 となる。このとき、極限は不定形なので、ロピタルの定理から lim

x→0 1

cos2x−(b+ 2cx+ 3dx2)

3x2 =

x→0lim

1 + tan2x−(b+ 2cx+ 3dx2)

3x2 = 0であればよい。特にこの分子は0に収束するからb= 1でなければならない。この とき極限は不定形なので、ロピタルの定理から、lim

x→0

2 tanxcos12x−(2c+ 6dx)

6x = lim

x→0

2 tanx(1 + tan2x)−(2c+ 6dx)

6x = 0

であればよい。特にこの分子は0に収束するからc= 0でなければならない。このとき、極限は不定形なのでロピタルの定理 から、lim

x→0

2cos12x+ 6 tan2xcos12x−6d

6 = 0であればよい。特にこの分子は0に収束するからd= 1

3でなければならない。

つまり、tanxはx= 0でx+1

3x3+o(x3)と近似できる。

■

1

(2)

問題6-3 次の関数をx= 0においてテイラー展開せよ。

(1) sinx (2) cosx (3) log(x+ 1)

(解)

(1)

(sinx)(k)= sin

„ x+kπ

2

«

であるから、テイラーの定理より、

sinx=

n−1X

k=1

sinkπ2

k! xk+sin(ξx+nπ2 ) n! xn ただしξは0< ξ <1となる実数。もしくは、

sinx= 8>

>>

>>

>>

>>

<

>>

>>

>>

>>

>: x− 1

3!x3+ 1

5!x5+· · · − 1

(n−1)!xn−1+sin(ξx)

n! xn n= 4m x− 1

3!x3+ 1

5!x5+· · · − 1

(n−2)!xn−2+cos(ξx)

n! xn n= 4m+ 1 x− 1

3!x3+ 1

5!x5+· · ·+ 1

(n−1)!xn−1+−sin(ξx)

n! xn n= 4m+ 2 x− 1

3!x3+ 1

5!x5+· · ·+ 1

(n−2)!xn−2+−cos(ξx)

n! xn n= 4m+ 3 である。

(2)同じように(cosx)(k)= cos

„ x+kπ

2

«

であるから、テイラーの定理より、

cosx= 1 +

nX−1 k=1

coskπ2

k! xk+cos(ξx+nπ2 ) n! xn ただしξは0< ξ <1となる実数。以下略。

(3) (log(x+ 1))(k)=(−1)k−1(k−1)!

(x+ 1)k であるから、

log(x+ 1) =

n−1X

k=1

(−1)k−1

k xk+ (−1)n−1 n(ξx+ 1)nxn ただしξは0< ξ <1となる実数。

■

2

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