東工大数学'04年前期[2]
次の問いに答えよ。
(1) ,を連続な偶関数、mを正の整数とするとき、 を証明せよ。
(2) 正の整数m,nがを満たしているとき、 を証明せよ。 (3) 極限値
を求めよ。
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解答 (1)は積分区間を分けることにより、あっさりと解決します。(2)は、被積分関数の形をよく見て、(1)を利用することを考えます。(3)は、はさみうちの原理を使う東工大で頻出タイプの問題です。なお、三角関数、三角関数のグラフ、偶感数・奇関数の積分を参照してください。
(1) ,は周期の周期関数(三角関数のグラフを参照)で、ととにおいては、関数の値は正負が異なるだけです。 式で書くと、のとき、であって、,
の範囲の積分は、,,・・・,と範囲を分けて積分します。 kをを満たす整数として、とおくと、 ここで、置換積分を行って、積分のという積分範囲をにすることを考えます。
とおくと、,x:のとき、?: kが偶数のとき、は奇数であって、,kが奇数のとき、は偶数であって、,
は偶関数だから、任意の実数xに対して、が成り立ちます。
従って、,が成り立ちます。
よって、kが偶数か奇数かにかかわらず、 , が成り立ちます。
∴ つまり、
∴ (証明終)
(2) まず、証明すべき不等式において、不等式の不等号に挟まれた部分の積分の形を左辺、右辺の積分と同じような形にすることを考えます。
において、とおくと、,x:のときt:
∴ (置換積分参照),より、 各辺をnで割り、とおくと、 ・・・@ さらに、@の左辺は、より、
@の右辺は、より、
∴ ・・・A
,とします。この,は、,を満たすので、それぞれ偶関数です。
従って、(1)を利用して、 右辺に出てくる積分は、においては、だから、 ・・・B Aより、 (証明終)
(置換積分参照、は偶関数であることに注意) これを用いると、(2)の不等式より、
・・・C ここで、より,とすると、はさみうちの原理より、
このとき、Cにおいて、左辺,右辺となるから、はさみうちの原理より、 ......[答]
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