区分求積法②

区分求積法による和の極限の計算問題です。
今回は、定積分の幅が\(\displaystyle\int_{0}^{1}\) にならないケースや、対数を利用する場合を扱います。

 

(例題1)
(1)\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\displaystyle\frac{1}{n+k}\)
(2)\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}n\displaystyle\sum_{k=n+1}^{3n}\displaystyle\frac{1}{k^2-2nk-8n^2}\)
(3)\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left\{\displaystyle\frac{1}{2n+1}+\displaystyle\frac{1}{2n+3}+\displaystyle\frac{1}{2n+5}+\cdots+\displaystyle\frac{1}{2n+(2n-1)}\right\}\)

 

(解答)
(1)

\(k=2n\) までの和になっていますが、同様に
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\displaystyle\frac{1}{n+k}=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\displaystyle\frac{1}{1+\displaystyle\frac{k}{n}}\)
と変形して、\(f(x)=\displaystyle\frac{1}{1+x}\) の積分を考えます。積分区間は、\(k\)に順に代入していくと、\(\displaystyle\frac{1}{n},\displaystyle\frac{2}{n},\cdots,\displaystyle\frac{2n}{n}\) となるので、\(0\)から\(2\) までになります(図と対応させて考えて下さい)。機械的にやるなら、両端の \(\displaystyle\frac{1}{n},\displaystyle\frac{2n}{n}\) で \(n \to \infty\) の極限 (それぞれ、\(0,2\) になる) を考えるとよいでしょう。

区分求積法② 例題1-1

\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\displaystyle\frac{1}{n+k}=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\displaystyle\frac{1}{1+\displaystyle\frac{k}{n}}\)

\(=\displaystyle\int_{0}^{2}\displaystyle\frac{1}{1+x}dx\)

\(=[\log|1+x|]_{0}^{2}\)

\(=\log3\)

(2)

\(k=n+1~3n\) になっています。\(k=1~n\) との差
\(\displaystyle\sum_{k=n+1}^{3n}=\displaystyle\sum_{k=1}^{3n}-\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\)
を考えてもよいですし、図から直接積分を考えてもよいです(区間は\(1\)から\(3\)になる)。

\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}n\displaystyle\sum_{k=n+1}^{3n}\displaystyle\frac{1}{k^2-2nk-8n^2}\)

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=n+1}^{3n}\displaystyle\frac{1}{(\displaystyle\frac{k}{n})^2-2(\displaystyle\frac{k}{n})-8}\)

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left\{\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{3n}\displaystyle\frac{1}{(\displaystyle\frac{k}{n})^2-2(\displaystyle\frac{k}{n})-8}-\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{(\displaystyle\frac{k}{n})^2-2(\displaystyle\frac{k}{n})-8}\right\}\)

(どちらも収束して)

\(=\displaystyle\int_{0}^{3}\displaystyle\frac{1}{x^2-2x-8}dx-\displaystyle\int_{0}^{1}\displaystyle\frac{1}{x^2-2x-8}dx\)

\(=\displaystyle\int_{1}^{3}\displaystyle\frac{1}{x^2-2x-8}dx\)

(部分分数分解をする)

\(=\displaystyle\int_{1}^{3}\displaystyle\frac{1}{(x-4)(x+2)}dx\)

\(=\displaystyle\frac{1}{6}\displaystyle\int_{1}^{3}(\displaystyle\frac{1}{x-4}-\displaystyle\frac{1}{x+2})dx\)

\(=\displaystyle\frac{1}{6}[\log|x-4|-\log|x+2|]_{1}^{3}\)

\(=-\displaystyle\frac{1}{6}\log5\)

(別解)

区分求積法② 例題1-2

\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}n\displaystyle\sum_{k=n+1}^{3n}\displaystyle\frac{1}{k^2-2nk-8n^2}\)

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=n+1}^{3n}\displaystyle\frac{1}{(\displaystyle\frac{k}{n})^2-2(\displaystyle\frac{k}{n})-8}\)

(上図より)

\(=\displaystyle\int_{1}^{3}\displaystyle\frac{1}{x^2-2x-8}dx\)

(以下同様)

(※)他にも \(k=1\) スタートにする方法もあります
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}n\displaystyle\sum_{k=n+1}^{3n}\displaystyle\frac{1}{k^2-2nk-8n^2}\)

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=n+1}^{3n}\displaystyle\frac{1}{(\displaystyle\frac{k}{n})^2-2(\displaystyle\frac{k}{n})-8}\)

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\displaystyle\frac{1}{(1+\displaystyle\frac{k}{n})^2-2(1+\displaystyle\frac{k}{n})-8}\)

\(=\displaystyle\int_{0}^{2}\displaystyle\frac{1}{(1+x)^2-2(1+x)-8}\ dx\)

\(=\displaystyle\int_{0}^{2}\displaystyle\frac{1}{x^2-9}\ dx\)

\(=\displaystyle\int_{0}^{2}\displaystyle\frac{1}{(x-3)(x+3)}\ dx\)

(以下省略。この方法は実質上図のグラフを\(x\)軸方向に\(-1\)平行移動しているだけです)

 

(3)

和をそのままで考えると
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{2n+(2k-1)}=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{2+2\cdot\displaystyle\frac{k}{n}-\displaystyle\frac{1}{n}}\)
となり、\(-\displaystyle\frac{1}{n}\) が邪魔で積分に変換できません。これは \(2k-1\) が飛び飛びになっているのが原因なので、間を埋めるようにするとうまくいきます。もしくは、邪魔な \(-\displaystyle\frac{1}{n}\) の部分をいじって不等式ではさみこむ方法もあります。

\(S_n=\left\{\displaystyle\frac{1}{2n+1}+\displaystyle\frac{1}{2n+3}+\displaystyle\frac{1}{2n+5}+\cdots+\displaystyle\frac{1}{2n+(2n-1)}\right\}\) とおく。

\(S_n=\left\{\displaystyle\frac{1}{2n+1}+\displaystyle\frac{1}{2n+2}+\displaystyle\frac{1}{2n+3}+\cdots+\displaystyle\frac{1}{2n+(2n-1)}+\displaystyle\frac{1}{2n+2n}\right\}\)
\(-\left\{\displaystyle\frac{1}{2n+2}+\displaystyle\frac{1}{2n+4}+\displaystyle\frac{1}{2n+6}+\cdots+\displaystyle\frac{1}{2n+(2n-2)}+\displaystyle\frac{1}{2n+2n}\right\}\)

\(=\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\displaystyle\frac{1}{2n+k}-\displaystyle\frac{1}{2}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{n+k}\)

よって与式は
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}S_n\)

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left(\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\displaystyle\frac{1}{2+\displaystyle\frac{k}{n}}-\displaystyle\frac{1}{2}\cdot\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{1+\displaystyle\frac{k}{n}}\right)\)

\(=\displaystyle\int_{0}^{2}\displaystyle\frac{1}{2+x}dx-\displaystyle\frac{1}{2}\displaystyle\int_{0}^{1}\displaystyle\frac{1}{1+x}dx\)

\(=[\log|2+x|]_{0}^{2}-\displaystyle\frac{1}{2}[\log|1+x|]_{0}^{1}\)

\(=\log4-\log2-\displaystyle\frac{1}{2}\log2\)

\(=\displaystyle\frac{1}{2}\log2\)

(別解)
(分母が正の場合、分母の数が大きいほうが全体としては小さい)
\(\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{2n+2k}<\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{2n+(2k-1)}<\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{2n+(2k-2)}\) より

\(\displaystyle\frac{1}{2}\cdot\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{1+\displaystyle\frac{k}{n}}<\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{2n+(2k-1)}<\displaystyle\frac{1}{2}\cdot\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{1+\displaystyle\frac{k-1}{n}}\)

\(\displaystyle\frac{1}{2}\cdot\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{1+\displaystyle\frac{k}{n}}<\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{2n+(2k-1)}<\displaystyle\frac{1}{2}\cdot\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{l=0}^{n-1}\displaystyle\frac{1}{1+\displaystyle\frac{l}{n}}\)

\(n \to \infty\) のとき左辺と右辺は
\(\displaystyle\frac{1}{2}\displaystyle\int_{0}^{1}\displaystyle\frac{1}{1+x}dx=\displaystyle\frac{1}{2}[\log|1+x|]_{0}^{1}=\displaystyle\frac{1}{2}\log2\)
に収束。

よって
(与式)\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\displaystyle\frac{1}{2n+(2k-1)}\)\(=\displaystyle\frac{1}{2}\log2\)

 

 

 

(例題2)
次の極限を求めよ。
(1)\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{\sqrt[n]{n(n+1)(n+2)\cdots(2n-1)}}{n}\)

(2)\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{\sqrt[n]{{}_{4n}\mathrm{P}_{2n}}}{n^2}\)

 

累乗(累乗根)、階乗のような積の羅列には対数をとることが効果的です。
何故かというと、指数を解消でき、積を和の形にできるからです。

(解答)
(1)
\(a_n=\displaystyle\frac{\sqrt[n]{n(n+1)(n+2)\cdots(2n-1)}}{n}\) とおくと

(まず \(\displaystyle\frac{1}{n}\)を累乗根に突っ込んで、\(\displaystyle\frac{k}{n}\) の形をつくります)

\(a_n=\sqrt[n]{\displaystyle\frac{{n(n+1)(n+2)\cdots\{n+(n-1)\}}}{n^n}}\)

(\(n\)で1つずつ割って)

\(=\sqrt[n]{(1+\displaystyle\frac{0}{n})(1+\displaystyle\frac{1}{n})(1+\displaystyle\frac{2}{n})\cdots(1+\displaystyle\frac{n-1}{n})}\)

よって
\(\log a_n=\displaystyle\frac{1}{n}\log(1+\displaystyle\frac{0}{n})(1+\displaystyle\frac{1}{n})(1+\displaystyle\frac{2}{n})\cdots(1+\displaystyle\frac{n-1}{n})\)

\(=\displaystyle\frac{1}{n}\{\log(1+\displaystyle\frac{0}{n})+\log(1+\displaystyle\frac{1}{n})+\cdots+\log(1+\displaystyle\frac{n-1}{n})\}\)

\(=\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1}\log(1+\displaystyle\frac{k}{n})\)

ゆえに
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\log a_n=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1}\log(1+\displaystyle\frac{k}{n})\)

\(=\displaystyle\int_{0}^{1}\log(1+x)dx\)

(部分積分をして)

\(=[(1+x)\log(1+x)]_{0}^{1}-\displaystyle\int_{0}^{1} dx\)

\(=2\log2-[x]_{0}^{1}\)

\(=2\log2-1\)

(最後に対数を外すので、まとめておく)

\(=\log4-\log e\)

\(=\log\displaystyle\frac{4}{e}\)

したがって
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\log a_n=\log\displaystyle\frac{4}{e}\)
だから

\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}a_n=\displaystyle\frac{4}{e}\)

 

(2)

(1)とほぼ一緒です。\(\displaystyle\frac{k}{n}\) の和の形を目指します。

\(b_n=\displaystyle\frac{\sqrt[n]{{}_{4n}\mathrm{P}_{2n}}}{n^2}\) とおく。

\(b_n=\sqrt[n]{\displaystyle\frac{\displaystyle\frac{(4n)!}{(4n-2n)!}}{n^{2n}}}=\sqrt[n]{\displaystyle\frac{\displaystyle\frac{(4n)!}{(2n)!}}{n^{2n}}}\)

\(=\sqrt[n]{\displaystyle\frac{4n(4n-1)(4n-2)\cdots(2n+1)}{n^{2n}}}\)

(\(2n+1\) スタートになっているので、\(2n\)に合わせると)

\(=\sqrt[n]{\displaystyle\frac{(2n+2n)(2n+2n-1)(2n+2n-2)\cdots(2n+1)}{n^{2n}}}\)

(積は\(2n\)個あるので、それぞれ\(n\)で割って)

\(=\sqrt[n]{(2+\displaystyle\frac{2n}{n})(2+\displaystyle\frac{2n-1}{n})(2+\displaystyle\frac{2n-2}{n})\cdots(2+\displaystyle\frac{1}{n})}\)

よって
\(\log b_n=\displaystyle\frac{1}{n}\log(2+\displaystyle\frac{2n}{n})(2+\displaystyle\frac{2n-1}{n})(2+\displaystyle\frac{2n-2}{n})\cdots(2+\displaystyle\frac{1}{n})\)

(\(\log\) の真数の積は和になるから)

\(=\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\log(2+\displaystyle\frac{k}{n})\)

ゆえに
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\log b_n=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{2n}\log(2+\displaystyle\frac{k}{n})\)

\(=\displaystyle\int_{0}^{2}\log(2+x)dx\)

\(=[(2+x)\log(2+x)]_{0}^{2}-\displaystyle\int_{0}^{2}dx\)

\(=4\log4-2\log2-[x]_{0}^{2}\)

\(=4\log 4-\log 4-2\)

\(=3\log 4-2\log e\)

\(=\log4^3-\log e^2\)

\(=\log\displaystyle\frac{64}{e^2}\)

したがって
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\log b_n=\log\displaystyle\frac{64}{e^2}\)
だから
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}b_n=\displaystyle\frac{64}{e^2}\)

 

 

以上になります。お疲れさまでした。
ここまで見て頂きありがとうございました。
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