log × 区分求積

掛け算の形の極限は log⁡\log を取ることで計算できることがある。

例題と解答

例題

次の極限を求めよ。

lim⁡n→∞1n(2n)!n!n \lim_{n \to \infty} \dfrac{1}{n} \sqrt[n]{\dfrac{(2n)!}{n!}}

log⁡\log を取ると 区分求積法 の形にすることができます。

解答

an=1n(2n)!n!na_n = \dfrac{1}{n} \sqrt[n]{\dfrac{(2n)!}{n!}} とおく。

an=(1+1n)⋯(1+nn)n\begin{aligned} a_n &= \sqrt[n]{\left( 1+\dfrac{1}{n} \right) \cdots \left( 1+\dfrac{n}{n} \right)} \end{aligned} であるため, log⁡an=1n{log⁡(1+1n)+⋯+log⁡(1+nn)}=1n∑k=1nlog⁡(1+kn)\begin{aligned} &\log a_n\\ &= \dfrac{1}{n} \left\{ \log \left( 1+\dfrac{1}{n} \right) + \cdots + \log \left( 1+\dfrac{n}{n} \right) \right\}\\ &= \dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^n \log \left( 1+\dfrac{k}{n} \right) \end{aligned} となる。

極限を取ると lim⁡n→∞log⁡an=lim⁡n→∞1n∑k=1nlog⁡(1+kn)=∫01log⁡(x+1)dx=[(x+1)log⁡(x+1)−x]01=2log⁡2−1\begin{aligned} &\lim_{n \to \infty} \log a_n\\ &= \lim_{n \to \infty} \dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^n \log \left( 1+\dfrac{k}{n} \right)\\ &= \int_0^1 \log (x+1) dx\\ &= \Big[ (x+1) \log (x+1) - x \Big]_0^1\\ &= 2 \log 2 - 1 \end{aligned} となる。

ゆえに lim⁡n→∞elog⁡an=e2log⁡2−1=4e\begin{aligned} \lim_{n \to \infty} e^{\log a_n} &= e^{2\log 2-1}\\ &= \dfrac{4}{e} \end{aligned} を得る。

log⁡\log で積を和に変える方法は押さえておきましょう。