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京都大学 情報学研究科 システム科学専攻 2012年8月実施 数学【II】

Author

犬 (finalized by 祭音Myyura with assistance from GPT 6 Astra)

Description

ee を自然対数の底とする。

問1

nn は自然数とする。

(i) 定積分を用いて limni=1n1n+i\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^n\frac1{n+i} を求めよ。

(ii) x1/2|x|\le1/2 において log(1+x)xx2|\log(1+x)-x|\le x^2 を示せ。

(iii) (i),(ii) を用いて limni=1n2(n+i)12(n+i)\displaystyle\lim_{n\to\infty}\prod_{i=1}^n\frac{2(n+i)-1}{2(n+i)} を求めよ。

問2

ff(0,)(0,\infty) で微分可能とする。

(i) g(x)=xf(logx)g(x)=xf(\log x) を考えることにより、0<a<b0<a<b に対して

ebf(b)eaf(a)ebea=f(c)+f(c)\frac{e^bf(b)-e^af(a)}{e^b-e^a}=f(c)+f'(c)

を満たす c(a,b)c\in(a,b) が存在することを示せ。

(ii) limx[f(x)+f(x)]=0\lim_{x\to\infty}[f(x)+f'(x)]=0 なら limxf(x)=0\lim_{x\to\infty}f(x)=0 であることを示せ。

(iii) hhC3C^3 級とする。h+h+h+h(3)0h+h'+h''+h^{(3)}\to0 であるが h0h\to0 ではない例を示せ。

题目描述

问1nn 为自然数。(i) 用定积分求 limni=1n1/(n+i)\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^n1/(n+i)。(ii) 证明 x1/2|x|\le1/2log(1+x)xx2|\log(1+x)-x|\le x^2。(iii) 利用前两问求 limni=1n[2(n+i)1]/[2(n+i)]\lim_{n\to\infty}\prod_{i=1}^n[2(n+i)-1]/[2(n+i)]

问2ff(0,)(0,\infty) 可微。(i) 通过 g(x)=xf(logx)g(x)=xf(\log x),证明对 0<a<b0<a<b 存在 c(a,b)c\in(a,b) 使 (ebf(b)eaf(a))/(ebea)=f(c)+f(c)(e^bf(b)-e^af(a))/(e^b-e^a)=f(c)+f'(c)。(ii) 证明若 f+f0f+f'\to0,则 f0f\to0。(iii) 举一个 C3C^3 函数 hh,使 h+h+h+h(3)0h+h'+h''+h^{(3)}\to0,但 hh 不趋于零。ee 为自然对数的底。

Kai

問1

(i) リーマン和より

i=1n1n+i=1ni=1n11+i/n01dt1+t=log2.\sum_{i=1}^n\frac1{n+i}=\frac1n\sum_{i=1}^n\frac1{1+i/n} \longrightarrow\int_0^1\frac{dt}{1+t}=\boxed{\log2}.

(ii) t1/2|t|\le1/2 では 1/(1+t)21/(1+t)\le2 なので

log(1+x)x=0xt1+tdt20xsds=x2.|\log(1+x)-x|=\left|\int_0^x\frac{-t}{1+t}dt\right| \le2\int_0^{|x|}s\,ds=x^2.

(iii) 積を PnP_n とおく。(ii) より

logPn+12i=1n1n+i14i=1n1(n+i)214n0.\left|\log P_n+\frac12\sum_{i=1}^n\frac1{n+i}\right| \le\frac14\sum_{i=1}^n\frac1{(n+i)^2}\le\frac1{4n}\to0.

従って logPn12log2\log P_n\to-\frac12\log2 であり、Pn1/2\boxed{P_n\to1/\sqrt2}

問2

(i) g(x)=f(logx)+f(logx)g'(x)=f(\log x)+f'(\log x)[ea,eb][e^a,e^b] 上の平均値の定理により、g(ξ)=[ebf(b)eaf(a)]/(ebea)g'(\xi)=[e^bf(b)-e^af(a)]/(e^b-e^a) となる ξ(ea,eb)\xi\in(e^a,e^b) が存在する。c=logξc=\log\xi とすればよい。

(ii) 任意の ε>0\varepsilon>0 に対し、xax\ge af(x)+f(x)<ε|f(x)+f'(x)|<\varepsilon となる a>0a>0 を固定する。(i) より任意の b>ab>a に対して

f(b)eabf(a)+(1eab)ε.|f(b)|\le e^{a-b}|f(a)|+(1-e^{a-b})\varepsilon.

bb\to\infty として lim supf(b)ε\limsup|f(b)|\le\varepsilonε\varepsilon は任意なので f(b)0\boxed{f(b)\to0}

(iii) h(x)=sinx\boxed{h(x)=\sin x} とすれば h+h+h+h(3)=0h+h'+h''+h^{(3)}=0 だが、hh は零に収束しない。