マクローリン展開 log(1+x)

log ( 1 + x ) のマクローリン展開

log ( 1 + x ) = x − 1 2 x 2 + 1 3 x 3 − 1 4 x 4 + ⋯  

■導出 

f ( x ) = log ( 1 + x ) とおく.   f ( 0 ) = log 1 = 0

f ' ( x ) = 1 1 + x ( 1 + x ) '       = 1 1 + x ⋅ 1       = ( 1 + x ) − 1 f ' ( 0 ) = 1

f ' ' ( x ) = ( − 1 ) ( 1 + x ) − 2 ( 1 + x ) '       = ( − 1 ) ( 1 + x ) − 2 ⋅ 1       = − ( 1 + x ) − 2 f ' ' ( 0 ) = − 1

f ' ' ' ( x ) = ( − 2 ) ( − 1 ) ( 1 + x ) − 3 ( 1 + x ) '       = 2 ! ( 1 + x ) − 3 f ' ' ' ( 0 ) = 2 !

f ( 4 ) ( x ) = ( − 3 ) ( 2 ! ) ( 1 + x ) − 4 ( 1 + x ) '       = − 3 ! ( 1 + x ) − 4 f ( 4 ) ( 0 ) = − 3 !

f 5 x = − − 4 3 ! 1 + x − 5 1 + x '       = 4 ! 1 + x − 5 f ( 5 ) ( 0 ) = 4 !

したがって,マクローリン展開の公式

f ( x ) = f ( 0 ) + f ' ( 0 ) x + f ' ' ( 0 ) 2 ! x 2 + f ' ' ' ( 0 ) 3 ! x 3 + ⋯ ⋯ + f ( n ) ( 0 ) n ! x n + ⋯ ⋯  

に代入して 

log 1 + x = 0 + 1 ⋅ x + − 1 2 ! x 2 + 2 ! 3 ! x 3 + − 3 ! 4 ! x 4 + ⋯

= x − 1 2 x 2 + 1 3 x 3 − 1 4 x 4 + ⋯

■収束半径 

a n = ( − 1 ) n − 1 ( n − 1 ) ! n ! , a n + 1 = ( − 1 ) n n ! ( n + 1 ) !

lim n → ∞ | a n + 1 a n | = lim n → ∞ | ( − 1 ) n n ! ( n + 1 ) ! ( − 1 ) n − 1 ( n − 1 ) ! n ! |

= lim n → ∞ | ( − 1 ) n ( − 1 ) n − 1 ⋅ n ! ( n + 1 ) ! ⋅ n ! ( n − 1 ) ! |

= lim n → ∞ | − n n + 1 |

= lim n → ∞ | − 1 1 + 1 n |

= 1

よって,収束半径 R は

R = 1 1 = 1

となる.

x の値が収束半径と等しいとき, 

x − 1 2 x 2 + 1 3 x 3 − 1 4 x 4 + ⋯ ⋯  

の収束性について検討する. 

x = 1 のとき

1 1 − 1 2 + 1 3 − 1 4 + 1 5 − 1 6 + ⋯ ⋯   = ( 1 1 − 1 2 ) + ( 1 3 − 1 4 ) + ( 1 5 − 1 6 ) + ⋯ ⋯   = 2 − 1 1 ⋅ 2 + 4 − 3 3 ⋅ 4 + 6 − 5 5 ⋅ 6 + ⋯ ⋯   = 1 1 ⋅ 2 + 1 3 ⋅ 4 + 1 5 ⋅ 6 + ⋯ ⋯   = lim n → ∞ ∑ k = 1 n 1 ( 2 k − 1 ) 2 k   < lim n → ∞ ∑ k = 1 n 1 ( 2 k − 1 ) 2 ( ∵ 1 ( 2 k − 1 ) 2 k < 1 ( 2 k − 1 ) 2 )   < 1 + lim n → ∞ ∫ 1 n 1 ( 2 x − 1 ) 2 d x   = 1 + lim n → ∞ [ − 1 2 x − 1 ] 1 n   = 1 + lim n → ∞ ( − 1 2 n − 1 + 1 )   = 2

となり,収束する. 

x = − 1 のとき

− 1 1 − 1 2 − 1 3 − 1 4 − ⋯ ⋯

= lim n → ∞ ∑ k = 1 n − 1 k

> lim n → ∞ ∫ 0 n − 1 x + 1 d x

= lim n → ∞ − log x + 1 0 n

= lim n → ∞ − log n + 1 − log 1

= lim n → ∞ − log n + 1

= − ∞

となり,発散する.以上より

x − 1 2 x 2 + 1 3 x 3 − 1 4 x 4 + ⋯ ⋯  

が収束する x の範囲は 

− 1 < x ≤ 1  

となる. 

■マクローリン展開の可視化

 

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最終更新日: 2026年8月18日