質問<2999>
「「微分」」
日付 2006/2/28
質問者 るん


いつもお世話になっております。以下の問題をお願いいたします。

「任意のn∈Nに対し
 lim[x→+∞](\(x^{n}\)/\(e^{x}\))=0
 が成り立つことを示せ。」

よろしくお願いいたします。

★希望★完全解答★

お便り
日付 2006/3/13
回答者 wakky


いろいろ考えましたが
これはロピタルの定理しかないのかもしれません
x^n/e^xの分母と分子の微分を繰り返すと
与式=lim(x→∞) n!/e^x=0

お便り
日付 2006/3/15
回答者 angel


\(x^{n}\)/\(e^{x}\) を、\(\frac{1}{x}\)の定数倍程度で見積もりましょう。
色々下準備が必要…。
よくある話ですが、解答の順序と、考えた事の順序は真逆です。

任意の正の実数 p, 任意の自然数 m に対して、
1+mp ≦ (1+p\()^{m}\) が帰納的に成立する。

実際、
 m=1 の時、1+mp=1+p=(1+p\()^{m}\)
 m=k の時、1+kp≦(1+p\()^{k}\) が成立したとすると、
  (1+p)^(k+1)-(1+(k+1)p)
  = (1+p)(1+p\()^{k}\) - (1+kp) - p
  = ((1+p\()^{k}\)-(1+kp)) + p((1+p\()^{k}\)-1) ≧ 0
  これは、m=k+1の時も成立することを示す。

α=e^(1/(n+1))-1 >0, β=1/α >0 と置く時、
任意の自然数 m に対して、
m < m+β = αβm+β = β(1+mα) ≦ β(1+α\()^{m}\)

よって、
m < β(1+α\()^{m}\) = 1/α・(1+α\()^{m}\) = 1/α・(e^(1/(n+1))\()^{m}\)
両辺を n+1 乗して、
m^(n+1) < 1/α^(n+1)・\(e^{m}\)
よって、
\(m^{n}\)/\(e^{m}\) < 1/(mα^(n+1))

ところで、f(x)=\(x^{n}\)/\(e^{x}\) と置く時、
f'(x)=nx^(n-1)・e^(-x) - \(x^{n}\)・e^(-x)
   = x^(n-1)・e^(-x)・( n - x )

よって、x>n においては f'(x)<0、f(x) は単調減少、

 x>n⇒ 0<f(x)<f([x])< 1/([x]α^(n+1)) < 1/((x-1)α^(n+1))
 ( [x]は、xを超えない最大の整数を表す )
 この不等式の右辺・左辺ともに、x→+∞の時に 0に収束する。
 よって、lim[x→+∞] f(x) = 0