東邦大学/2023年度/一般

7東邦大学 2023年 数学 第7問解答・解説

極限積分法

1問題

東邦大学2023年度第7問
共通指示:問題は1から10までの10問です。解答は解答用マークシートに記入してください。問題の文中の アイ\text{アイ}、ウエオ\text{ウエオ} などには、符号 (-)、または数字 (0∼9)(0\sim9) が入ります。ア、イ、ウ、…の一つひとつは、これらのいずれか一つに対応します。それらを解答用マークシートのア、イ、ウ、…で示された解答欄にマークして答えなさい。分数形で解答する場合は、それ以上約分できない形で答えなさい。また、符号は分子につけ、分母につけてはいけません。根号を含む形で解答する場合は、根号の中に現れる自然数が最小となる形で答えなさい。
7 m,nm,n を自然数として、Sn(m)=∑k=1nkmS_{n}(m)=\displaystyle\sum_{k=1}^{n}k^{m} とする。このとき、lim⁡n→∞{Sn(1)}3{Sn(2)}2=ソタ,lim⁡n→∞{Sn(3)}3{Sn(5)}2=チツテ\lim_{n\to\infty}\frac{\{S_{n}(1)\}^{3}}{\{S_{n}(2)\}^{2}}=\frac{\boxed{\text{ソ}}}{\boxed{\text{タ}}},\qquad \lim_{n\to\infty}\frac{\{S_{n}(3)\}^{3}}{\{S_{n}(5)\}^{2}}=\frac{\boxed{\text{チ}}}{\boxed{\text{ツテ}}} が成り立つ。

まずは自分で解いてみましょう。解けたら「答え」、詰まったら「解答」で確かめられます。

タイマー

15:00

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる

3解答

解答を見る途中式つきの解答

解答

(1) 正の整数 mm について、x≧0x\geqq 0 で xmx^{m} は増加する。
k=1, 2, ⋯ , nk=1,\,2,\,\cdots,\,n について、k−1≦x≦kk-1\leqq x\leqq k では xm≦kmx^{m}\leqq k^{m} なので ∫k−1kxm dx≦km\displaystyle\int_{k-1}^{k}x^{m}\,dx\leqq k^{m}、k≦x≦k+1k\leqq x\leqq k+1 では xm≧kmx^{m}\geqq k^{m} なので km≦∫kk+1xm dxk^{m}\leqq\displaystyle\int_{k}^{k+1}x^{m}\,dx が成り立つ。
これらを k=1, 2, ⋯ , nk=1,\,2,\,\cdots,\,n について加えると、
∫0nxm dx≦Sn(m)≦∫1n+1xm dx \displaystyle\int_{0}^{n}x^{m}\,dx\leqq S_{n}(m)\leqq\displaystyle\int_{1}^{n+1}x^{m}\,dx
となる。積分を計算すると、
nm+1m+1≦Sn(m)≦(n+1)m+1−1m+1 \dfrac{n^{m+1}}{m+1}\leqq S_{n}(m)\leqq\dfrac{(n+1)^{m+1}-1}{m+1}
である。両辺を nm+1n^{m+1} で割ると、
1m+1≦Sn(m)nm+1≦1m+1{(1+1n)m+1−1nm+1} \dfrac{1}{m+1}\leqq\dfrac{S_{n}(m)}{n^{m+1}}\leqq\dfrac{1}{m+1}\left\{\left(1+\dfrac{1}{n}\right)^{m+1}-\dfrac{1}{n^{m+1}}\right\}
となる。n→∞n\to\infty のとき右辺は 1m+1\dfrac{1}{m+1} に近づくので、はさみうちの原理より
lim⁡n→∞Sn(m)nm+1=1m+1 \displaystyle\lim_{n\to\infty}\dfrac{S_{n}(m)}{n^{m+1}}=\dfrac{1}{m+1}
である。

(2) 分母分子を nn の冪で割ると、
{Sn(1)}3{Sn(2)}2=(Sn(1)n2)3(Sn(2)n3)2 \dfrac{\{S_{n}(1)\}^{3}}{\{S_{n}(2)\}^{2}}=\dfrac{\left(\dfrac{S_{n}(1)}{n^{2}}\right)^{3}}{\left(\dfrac{S_{n}(2)}{n^{3}}\right)^{2}}
となる(どちらの分母も n6n^{6} である)。(1) より
lim⁡n→∞{Sn(1)}3{Sn(2)}2=(1/2)3(1/3)2=98 \displaystyle\lim_{n\to\infty}\dfrac{\{S_{n}(1)\}^{3}}{\{S_{n}(2)\}^{2}}=\dfrac{(1/2)^{3}}{(1/3)^{2}}=\dfrac{9}{8}
である。
また同様に、
{Sn(3)}3{Sn(5)}2=(Sn(3)n4)3(Sn(5)n6)2 \dfrac{\{S_{n}(3)\}^{3}}{\{S_{n}(5)\}^{2}}=\dfrac{\left(\dfrac{S_{n}(3)}{n^{4}}\right)^{3}}{\left(\dfrac{S_{n}(5)}{n^{6}}\right)^{2}}
であり、どちらの分母も n12n^{12} なので
lim⁡n→∞{Sn(3)}3{Sn(5)}2=(1/4)3(1/6)2=3664=916 \displaystyle\lim_{n\to\infty}\dfrac{\{S_{n}(3)\}^{3}}{\{S_{n}(5)\}^{2}}=\dfrac{(1/4)^{3}}{(1/6)^{2}}=\dfrac{36}{64}=\dfrac{9}{16}
である。
よって、98\dfrac{9}{8}、916\dfrac{9}{16} である。

読み終えたら解答を閉じて、もう一度自分の手で解いてみましょう。

この問題で使う考え方

  • 数列の極限
  • 不定積分・定積分の性質

答えと解答は AI で作成したものです。誤りに気づいたらお問い合わせから教えてください。

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