n を大きくすると何が残るか〜数列の極限の計算問題
の極限は です。 で割れば も も消え、最高次の係数だけが残る。
数列の極限の計算は、消える項と残る項を見分ける作業です。手は限られていて、割る・有理化する・はさむ・単調性を言う、の つでほとんど片づきます[1]。
以下は 問です。有理式から始め、根号の差、 の形、階乗、漸化式、リーマン和、部分列まで並べました。
4 つの手
順に試す形になります。
最高次で割る
有理化して差を分数に直す
上下からはさむ
単調で有界なら極限の存在を言う
つ目は値を出さずに存在だけを言う手です。単調で有界なら収束する、という定理を使います[1]。
存在が分かってから漸化式に極限を代入すると、値が出ます。順序を逆にすると、存在しないものに式を当てることになる。
問題 1:有理式
を求めよ。
解答 1
分母分子を で割ります。
分母と分子の次数が同じなら、最高次の係数の比になります。分子の次数が低ければ 、高ければ発散です。
問題 2:根号の差
を求めよ。
解答 2
の形なので、そのままでは判断できません。有理化します。
差を分数に直すと、問題 の形に落ちます。根号の差が出たら有理化、が型です。
問題 3:e の形
を求めよ。
解答 3
を使います[1]。 と置きます。
で となり、 に近づいています。
の形は不定形です。底が に近づく速さと指数の伸びの兼ね合いで決まります。
問題 4:階乗とべき
を求めよ。
解答 4
分子分母を項ごとに並べます。
つ目以降はすべて 以下です。最初の因子だけ残して押さえます。
はさみうちで です。 のほうが より速く伸びる、と言いかえられます。
問題 5:単調有界を書き切る
、 の極限を求めよ。
解答 5
先に存在を示します。上に有界であることを帰納法で言います。
です。 なら になります。
次に単調増加を示します。 で、 なら正です。
単調増加で上に有界なので収束します[1]。極限を と置いて漸化式に入れます。
か で、 から です。実際に 回反復すると になります。
存在を示さずに代入すると、収束しない数列にも値が出てしまいます。順序が要です。
問題 6:ε-N 論法
を定義から示せ。
解答 6
任意の に対し、 を より大きい整数にとります[1]。
なら次が成り立ちます。
が に応じて選べる、という順序が定義の中身です。 を小さくするほど は大きくなります。
問題 7:n 乗根
を示せ。
解答 7
と置きます。 で です。
両辺を 乗し、二項展開の第 項だけを残して下から押さえます。
整理すると で、 です。
で になります。 乗根はどんな多項式でも に行く、が結論です。
問題 8:リーマン和に見る
を求めよ。
解答 8
各項を でくくります。
を で 等分したリーマン和です。
で となり、 に近づきます。
和が と で書けたら、積分に化けます。項ごとに極限をとると になってしまう点に注意します。
問題 9:スターリングを使う
を求めよ。
解答 9
スターリングの近似 を使います[2]。
乗根をとると、根号の因子は に行きます。
で となり、 に近づいています。
対数をとって平均に直す手もあります。 が に行く形です。
問題 10:無限積
が収束することを示せ。
解答 10
対数をとって和に直します。
なので、和は で上から押さえられます。
この級数は収束するので、対数の側が有界です。単調増加でもあるので収束します。
値は です。数値計算でも まで一致します。
問題 11:コーシー列
がコーシー列であることを示せ。
解答 11
として差を評価します。 を使います。
任意の に対し、 となる をとれば条件が満たされます。
実数は完備なので収束します[1]。極限は です。
極限の値を知らないまま収束が言えるところが、コーシー列の使いどころになります。
問題 12:チェザロ平均
のとき、平均 も に収束することを示せ。
解答 12
の場合に帰着できます。 を考えればよいからです。
に対し、 で となる をとります。
和を つに割ります。前半は項数が で固定なので、 で割れば に行く。後半は各項が 未満です。
を十分大きくとれば全体が 未満になります。
逆は成り立ちません。 は収束しませんが、平均は に行きます。
問題 13:部分列で割れる
が収束しないことを示せ。
解答 13
偶数番目だけとると です。奇数番目は に行きます。
収束する数列は、どの部分列も同じ値に収束します。 つの部分列が違う値に行くので、全体は収束しない。
有界ではあるので、収束する部分列は存在します。集積点が と の つある形です。

問題 14:有理数の範囲では極限が外へ出る
、 の極限を求め、有理数列であることを確かめよ。
解答 14
各項は有理数です。有理数を割ったり足したりしても有理数のままだからです。
極限を と置くと で、 になります。
で、有理数ではありません。有理数の数列が有理数でない値に収束しています。
有理数の範囲では「収束する数列の極限がその中にある」とは限りません。実数の完備性が効くのは、まさにこの点です[1]。
問題 15:項ごとの極限で誤る例
を、項ごとに極限をとって求めるとどうなるか。
解答 15
各項は です。項ごとに極限をとると、 を足しているように見えます。
ところが実際の和は で、極限も です。
項数が とともに増えることが原因です。有限個の和なら項ごとに極限をとれますが、項数が動くときは使えません。
問題 でリーマン和として扱ったのも同じ事情です。項数と項の大きさの両方が動く和は、まとめて評価します。
つまずきやすいところ
手の順序と、極限の交換で誤ります。
収束しない数列にも値が出ます。単調有界を先に言います。
リーマン和に化ける場合があります。まとめて評価します。
有理化して分数に直します。差のままでは決まりません。
不定形です。底の近づく速さと指数の伸びの兼ね合いで決まります。
まず不定形かどうかを見分け、次に つの手を順に当てる。当たらなければ、はさむか単調性へ回します。
はどれですか。
よくある誤り
消える項と残る項を見分ける。それが数列の極限の計算のほとんどです。
参考文献
[1] が数列の極限の定義・単調収束定理・はさみうち・コーシー列と完備性・ の定義、[2] がスターリングの近似、[3] がドイツ語での定式化、[4] がリーマン和と定積分、[5] がチェザロ総和です。











有理化すると n2+3n+n2+n2n です。分母分子を n で割ると 22=1 になります。