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東邦大学/2023年度/一般

東邦大学 2023年 数学 第7問解答・解説

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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=1nkm\displaystyle S_{n}(m)=\displaystyle\sum\limits _{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\displaystyle \lim\limits _{n\to\infty}\frac{\{S_{n}(1)\}^{3}}{\{S_{n}(2)\}^{2}}=\frac{\boxed{\text{ソ}}}{\boxed{\text{タ}}},\qquad \lim\limits _{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。詰まったら「考え方」、解けたら「答え」で確かめられます。

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • lim⁡n→∞{Sn(1)}3{Sn(2)}2=98,lim⁡n→∞{Sn(3)}3{Sn(5)}2=916.\displaystyle \lim\limits _{n\to\infty}\frac{\{S_n(1)\}^3}{\{S_n(2)\}^2}=\frac98,\qquad \lim\limits _{n\to\infty}\frac{\{S_n(3)\}^3}{\{S_n(5)\}^2}=\frac9{16}.

3解答

解答を見る途中式つきの解答

正整数 mm に対し xmx^m は x≧0x\geq0 で増加するから、各範囲 k−1≦x≦kk-1\le x\le k と k≦x≦k+1k\le x\le k+1 での大小を足し合わせると ∫0nxm dx≦∑k=1nkm≦∫1n+1xm dx.\displaystyle \int_0^n x^m\,dx\leq \sum\limits _{k=1}^n k^m\leq \int_1^{n+1}x^m\,dx. 両端を nm+1n^{m+1} で割り、積分を計算すると、両端はともに 1/(m+1)1/(m+1) に近づく。従って lim⁡n→∞Sn(m)nm+1=1m+1.\displaystyle \lim\limits _{n\to\infty}\frac{S_n(m)}{n^{m+1}}=\frac1{m+1}. よって lim⁡n→∞{Sn(1)}3{Sn(2)}2=(1/2)3(1/3)2=98,lim⁡n→∞{Sn(3)}3{Sn(5)}2=(1/4)3(1/6)2=916.\displaystyle \lim\limits _{n\to\infty}\frac{\{S_n(1)\}^3}{\{S_n(2)\}^2} =\frac{(1/2)^3}{(1/3)^2}=\frac98, \qquad \lim\limits _{n\to\infty}\frac{\{S_n(3)\}^3}{\{S_n(5)\}^2} =\frac{(1/4)^3}{(1/6)^2}=\frac9{16}.

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

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