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n乗根の相加平均のn乗の極限が相乗平均になる話

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京大数学で壊滅したizayoiです。面白い等式を発見(ほぼ間違いなく既出)したので証明していきます。

n乗根の相加平均のn乗の極限が相乗平均になる

タイトルの通りこちらになります。

$m$個の正の実数$a_1,a_2,a_3,\cdots,a_m$について
$$\lim_{n\rightarrow\infty}\left(\sum_{k=1}^{m}\frac{\sqrt[n]{a_k}}{m}\right)^n=\sqrt[m]{\prod_{k=1}^{m}a_k}$$

$$\lim_{n\rightarrow\infty}\left(\frac{\sqrt[n]{3}+\sqrt[n]{19}}{2}\right)^n=\sqrt{57}$$
$$ \lim_{n\rightarrow\infty}\left(\frac{\sqrt[n]{1}+\sqrt[n]{2}+\sqrt[n]{3}+\sqrt[n]{4}+\sqrt[n]{5}}{5}\right)^n=\sqrt[5]{5!}$$

ちょっと面白いです。

\begin{eqnarray} \lim_{n\rightarrow\infty}\left(\sum_{k=1}^{m}\frac{\sqrt[n]{a_k}}{m}\right)^n&=&\lim_{x\rightarrow +0}\left(\sum_{k=1}^{m}\frac{a_k^x}{m}\right)^\frac{1}{x}\quad(x=\frac{1}{n}) \end{eqnarray}
$\lim$の中身の対数をとったものを考えると
\begin{eqnarray} \lim_{x\rightarrow +0}\log\left(\sum_{k=1}^{m}\frac{a_k^x}{m}\right)^\frac{1}{x}&=&\lim_{x\rightarrow +0}\frac{\log\sum_{k=1}^{m}\frac{a_k^x}{m}}{x}\\&=&\lim_{x\rightarrow +0}\frac{f(x)}{x}\quad (f(x)=\log\sum_{k=1}^{m}\frac{a_k^x}{m})\\&=&\lim_{x\rightarrow +0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}\quad(\because f(0)=\log1=0)\\&=&f^{\prime}(0)\quad (\because f(x)\text{は微分可能}) \end{eqnarray}
$$f^{\prime}(x)=\frac{\sum_{k=1}^{m}\frac{a_k^x}{m}\log a_k}{\sum_{k=1}^{m}\frac{a_k^x}{m}}=\frac{\sum_{k=1}^{m}a_k^x\log a_k}{\sum_{k=1}^{m}a_k^x}$$
より
$$f^{\prime}(0)=\frac{\sum_{k=1}^{m}\log a_k}{\sum_{k=1}^{m}1}=\frac{1}{m}\log\prod_{k=1}^{m}a_k=\log\sqrt[m]{\prod_{k=1}^{m}a_k}$$
つまり
$$\lim_{x\rightarrow +0}\log\left(\sum_{k=1}^{m}\frac{a_k^x}{m}\right)^\frac{1}{x}=\log\sqrt[m]{\prod_{k=1}^{m}a_k} $$
$\exp(x)$は連続関数だから
$$ \lim_{x\rightarrow+0}\left(\sum_{k=1}^{m}\frac{a_k^x}{m}\right)^\frac{1}{x}=\lim_{x\rightarrow+0}\exp\left(\log\left(\sum_{k=1}^{m}\frac{a_k^x}{m}\right)^\frac{1}{x}\right)=\sqrt[m]{\prod_{k=1}^{m}a_k}$$

つまり
$$\lim_{n\rightarrow\infty}\left(\sum_{k=1}^{m}\frac{\sqrt[n]{a_k}}{m}\right)^n=\sqrt[m]{\prod_{k=1}^{m}a_k}$$

直感的には$n\rightarrow\infty$としたら$\sqrt[n]{a_k}\rightarrow1$だから相加相乗平均の不等式の等号成立に限りなく近づいていくという感じでしょうか
極限求めるときにわけわからんくなったらだいたい微分係数の定義な気がする
以上です。

投稿日:4時間前
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izayoi
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