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解答作成者: 伊藤 愁一
入試情報
大学名 |
東北大学 |
学科・方式 |
前期理系 |
年度 |
2004年度 |
問No |
問3 |
学部 |
理学部 ・ 医学部 ・ 歯学部 ・ 薬学部 ・ 工学部 ・ 農学部
|
カテゴリ |
積分法の応用
|
状態 |
 |
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\newcommand{\mb}[1]{\mbox{\boldmath $ #1 $}}
% math-italic の bold 体が使える.
% 指定は \mb. 例)\mb{y} : y の bold 体
\newcommand{\MARU}[1]{{\ooalign{\hfil#1\/\hfil\crcr\raise.167ex\hbox{\mathhexbox20D}}}}
\def\Noteq{\mathrel{%
\setbox0\hbox{=}\hbox{=}\llap{\hbox to\wd0{\hss$\backslash$\hss}}}}
\newcommand{\ssqrt}[1]{\sqrt{\smash[b]{\mathstrut #1}}}
\newcommand{\Not}[1]{\ooalign{\hfil$\backslash$\hfil\crcr$#1$}}
\newcommand{\Dfrac}[2]{\dfrac{\,#1\,}{\,#2\,}}
\newcommand{\VeC}[1]{\overrightarrow{\mathstrut {\,#1\,}}}
\newcommand{\VEC}[1]{\overrightarrow{\mathstrut {\,\mathrm{#1}\,}}}
\newcommand{\Frac}[2]{\frac{\,#1\,}{\,#2\,}}
\newcommand{\comb}[2]{{}_{#1}\mathrm{C}\,{}_{#2}}
\newcommand{\parm}[2]{{}_{#1}\mathrm{P}\,{}_{#2}}
\linespread{1.2}
\def\labelenumi{(\theenumi)}
\def\labelenumii{(\theenumii)}
\def\labelenumiii{(\theenumiii)}
\def\theenumi{\arabic{enumi}}
\def\theenumii{\roman{enumii}}
\def\theenumiii{\alph{enumiii}}
\pagestyle{empty}
\begin{document}
\begin{framed}
$n$ を自然数とする.$n+1$ 項の等差数列 $x_{0},\,x_{1},\,\cdots \,x_{n}$ と等比数列 $y_{0},\,y_{1},\,\cdots \,y_{n}$ が
\[
1= x_{0} < x_{1} < x_{2} < \cdots < x_{n}=2
\]
\[
1= y_{0} < y_{1} < y_{2} < \cdots < y_{n}=2
\]
を満たすとし, $P(n),~Q(n),~R(n),~S(n)$ を次で定める.
\[
P(n) = \Dfrac{x_{1} + x_{2} + \cdots + x_{n}}{n}~,~Q(n) = \sqrt[n]{x_{1}x_{2}\cdots x_{n}}
\]
\[
R(n) = \Dfrac{y_{1} + y_{2} + \cdots + y_{n}}{n}~,~S(n) = \sqrt[n]{y_{1}y_{2}\cdots y_{n}}
\]
このとき極限値 $\displaystyle \lim_{n \to \infty} P(n),~\lim_{n \to \infty} Q(n),~\lim_{n \to \infty} R(n),~\lim_{n \to \infty} S(n)$ をそれぞれ求めよ.
\end{framed}
\vspace{2mm}
等差数列 $\{x_{k}\}$ の公差 $d$ は,$x_{0} = 1,~x_{n} = x_{0} +dn = 2$ より~$d=\Dfrac{1}{n}$
よって,$x_{k} = x_{0} +\Dfrac{k}{n} = 1+\Dfrac{k}{n}~~(k=0,1,2,\cdots)$
これは,十分~$1= x_{0} < x_{1} < x_{2} < \cdots < x_{n}=2$ を満たす.
\begin{align*}
\lim_{n \to \infty} P(n) &= \lim_{n \to \infty} \Dfrac{x_{1} + x_{2} + \cdots + x_{n}}{n} = \lim_{n \to \infty} \Dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} x_{k}\\
&= \lim_{n \to \infty} \Dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \left( 1+\Dfrac{k}{n} \right) = \int_{0}^{1} (1+x)dx\\
&= \Big[ x+\Dfrac{1}{2}x^{2}\Big]_{0}^{1} = \mb{\Dfrac{3}{2}}
\end{align*}
\vspace{1mm}
$Q(n) >0$ より
\begin{align*}
\lim_{n \to \infty} \log Q(n) &= \lim_{n \to \infty} \log \sqrt[n]{x_{1}x_{2}\cdots x_{n}} = \lim_{n \to \infty} \Dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \log x_{k}\\
&= \lim_{n \to \infty} \Dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \log \left( 1+\Dfrac{k}{n} \right) = \int_{0}^{1} \log (1+x)dx\\
&= \Big[ (1+x)\log (1+x)\Big]_{0}^{1} - \int_{0}^{1} (1+x) \cdot \Dfrac{1}{1+x} dx\\
&= 2\log 2 -\Big[x]_{0}^{1} = 2\log 2-1 = \log \Dfrac{4}{e}
\end{align*}
(指数関数の連続性により)$\displaystyle \lim_{n \to \infty} Q(n) = \mb{\Dfrac{4}{e}}$
\vspace{2mm}
$ 1= y_{0} < y_{1} < y_{2} < \cdots < y_{n}=2$ より,
等比数列 $\{y_{k}\}$ の公比 $r$ は正の実数で,$y_{0} = 1,~y_{n} = y_{0}\cdot r^{n} = 2$ より~$r=2^{\Frac{1}{n}}$
よって,$y_{k} = y_{0} \cdot 2^{\Frac{k}{n}} = 2^{\Frac{k}{n}}~~(k=0,1,2,\cdots)$
\begin{align*}
\lim_{n \to \infty} R(n) &= \lim_{n \to \infty} \Dfrac{y_{1} + y_{2} + \cdots + y_{n}}{n} = \lim_{n \to \infty} \Dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} y_{k}\\
&= \lim_{n \to \infty} \Dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} 2^{\Frac{k}{n}} = \int_{0}^{1} 2^{x}dx\\
&= \Big[ \Dfrac{2^{x}}{\log 2}\Big]_{0}^{1} = \mb{\Dfrac{1}{\log 2}}
\end{align*}
\vspace{1mm}
$S(n) >0$ より
\begin{align*}
\lim_{n \to \infty} \log S(n) &= \lim_{n \to \infty} \log \sqrt[n]{y_{1}y_{2}\cdots y_{n}} = \lim_{n \to \infty} \Dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \log y_{k}\\
&= \lim_{n \to \infty} \Dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \Dfrac{k}{n}\log 2 = \log 2 \int_{0}^{1} xdx\\
&= \log2 \Big[ \Dfrac{1}{2}x^{2}\Big]_{0}^{1} = \Dfrac{1}{2}\log 2 = \log 2^{\Frac{1}{2}}
\end{align*}
(指数関数の連続性により)$\displaystyle \lim_{n \to \infty} Q(n) = 2^{\Frac{1}{2}} = \mb{\ssqrt{2}}$
\end{document}