区分求積法③(応用)

最終的に区分求積法を利用する極限の例題です。

 

(例題1)
座標平面上に原点\(O\)を中心とする半径\(1\)の円\(C\)がある。点\(A(-2,0)\)を通る直線が \(y>0\) の範囲にある点\(P\)において円\(C\)と接するとする。自然数 \(n≧2\) に対して点\(A\) を通る\((n-1)\)本の直線で \(\angle OAP\) を\(n\)等分する。これらの直線を直線\(AO\)となす角が小さいものから順に \(l_1,\cdots,l_{n-1}\) とし、直線\(l_k\)と円\(C\)の2つの交点のうち点\(A\)に近い方を\(Q_k\)、他方を\(R_k\)とする。

(1)\(AR_k^2-AQ_k^2\) を\(n\)と\(k\)を用いて表せ。
(2)極限値 \(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{n-1}(AR_k^2-AQ_k^2)\) を求めよ。

 

(解答)
(1)

座標で考えても解けますが、円と2点で交わる直線の問題は、円の中心から弦に垂線を下ろす(弦の中点が垂線の足になる)のが基本です。
\(△OAP\)は、辺の長さが \(1:2:\sqrt{3}\) の直角三角形なので、\(\angle OAP=\displaystyle\frac{π}{6}\) です。よって \(\angle OAQ_k\ (\angle OAR_k)=\displaystyle\frac{π}{6}\cdot\displaystyle\frac{k}{n}\)  です。

区分求積法③ 例題1

図より
\(OM=2\sin\displaystyle\frac{kπ}{6n}\) だから
\(MQ_k=MR_k=\sqrt{1-4\sin^2\displaystyle\frac{kπ}{6n}}\)

また、\(AM=2\cos\displaystyle\frac{kπ}{6n}\) より
\(AQ_k=2\cos\displaystyle\frac{kπ}{6n}-\sqrt{1-4\sin^2\displaystyle\frac{kπ}{6n}}\)
\(AR_k=2\cos\displaystyle\frac{kπ}{6n}+\sqrt{1-4\sin^2\displaystyle\frac{kπ}{6n}}\)

よって
\(AR_k^2-AQ_k^2\)
\(=8\cos\displaystyle\frac{kπ}{6n}\sqrt{1-4\sin^2\displaystyle\frac{kπ}{6n}}\)

 

(2)

区分求積法により、積分に変換するだけです。
積分は導関数接触型になります。

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

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\displaystyle\sum_{k=1}^{n-1}8\cos(\displaystyle\frac{π}{6}\cdot\displaystyle\frac{k}{n})\sqrt{1-4\sin^2(\displaystyle\frac{π}{6}\cdot\displaystyle\frac{k}{n})}\)

\(=\displaystyle\int_{0}^{1}8\cos\displaystyle\frac{π}{6}x\sqrt{1-4\sin^2\displaystyle\frac{π}{6}x}\ dx\)・・・①

\(\sin\displaystyle\frac{π}{6}x=t\) とおくと
\(\displaystyle\frac{π}{6}\cos\displaystyle\frac{π}{6}x\ dx=dt\) だから

①\(=\displaystyle\int_{0}^{\frac{1}{2}}8\sqrt{1-4t^2}\cdot\displaystyle\frac{6}{π} dt\)

\(=\displaystyle\frac{48}{π}\displaystyle\int_{0}^{\frac{1}{2}}\sqrt{4(\displaystyle\frac{1}{4}-t^2)}dt\)

\(=\displaystyle\frac{96}{π}\displaystyle\int_{0}^{\frac{1}{2}}\sqrt{\displaystyle\frac{1}{4}-t^2}dt\)

(半径\(\displaystyle\frac{1}{2}\)の円の\(\displaystyle\frac{1}{4}\)の面積)

\(=\displaystyle\frac{96}{π}\cdot(\displaystyle\frac{1}{2})^2π\cdot\displaystyle\frac{1}{4}\)

\(=6\)

 

 

(例題2)
\(n\)個のボールを\(2n\)個の箱へ投げ入れる。各ボールはいずれかの箱に入るものとし、どの箱に入る確率も等しいとする。どの箱にも1個以下のボールしか入っていない確率を\(p_n\)とする。このとき、極限値 \(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{\log p_n}{n}\) を求めよ。

 

まず確率\(p_n\)を求めますが、確率を求めるときには、各事象を同様に確からしいようにするために全て区別することが基本になります。本問では箱はもちろんボールも区別します。よって重複組み合わせ(ボールと仕切りの並べ方で数える)などは使わないように。(同様に確からしくない)

(解答)

区分求積法③ 例題2

1つのボールの入れ方は\(2n\)通り。どの箱にも1個以下のボールしか入っていない確率\(p_n\)は、

\(p_n=\displaystyle\frac{2n}{2n}\cdot\displaystyle\frac{2n-1}{2n}\cdot\displaystyle\frac{2n-2}{2n}\cdots\displaystyle\frac{n+1}{2n}\)

(積は\(n\)個。最後は \(2n-n+1=n+1\) になる)

よって
\(\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{\log p_n}{n}\)

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\log\left(\displaystyle\frac{2n}{2n}\cdot\displaystyle\frac{2n-1}{2n}\cdot\displaystyle\frac{2n-2}{2n}\cdots\displaystyle\frac{n+1}{2n}\right)\)

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\log\left(\displaystyle\frac{n+n}{2n}\cdot\displaystyle\frac{n+(n-1)}{2n}\cdot\displaystyle\frac{n+(n-2)}{2n}\cdots\displaystyle\frac{n+1}{2n}\right)\)

\(=\displaystyle\lim_{n \to \infty}\displaystyle\frac{1}{n}\log\left(\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{n}{2n}\right)\left(\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{n-1}{2n}\right)\left(\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{n-2}{2n}\right)\cdots\left(\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{1}{2n}\right)\)

(\(\log\)の真数の積は和になるから)

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

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

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

\(=\displaystyle\int_{0}^{1}\{\log(1+x)-\log2\}dx\)

(部分積分)

\(=[(1+x)\log(1+x)]_{0}^{1}-\displaystyle\int_{0}^{1}dx-(\log2)[x]_{0}^{1}\)

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

\(=\log2-1\)

 

 

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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