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【数Ⅲ】大小比較の難問!a^bとb^aの比較は頻出!2013年一橋大学後期 問6 解答・解説

【数Ⅲ】大小比較の難問!a^bとb^aの比較は頻出!2013年一橋大学後期 問6 解答・解説 数Ⅲ
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今回取り扱う問題は2013年一橋大学の後期で出題された問題です。

一橋大学は文系大学で基本的に数Ⅲの問題は出ませんが、後期試験では選択問題で数Ⅲの知識が必要となる問題が出題されることがあります。
(必ず解かなければいけない問題ではないです。)

大小比較の難問で、頻出なのでぜひ解けるようになっておきましょう。
一度解いておけば、他の似た問題も解けるようになり、入試で他の受験生と差をつけられるような問題です。

それではさっそくやっていきましょう。

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問題文

$e^{\pi}\,$と$\, \pi ^e \,$の大小を比較せよ。

これから先は解説になります。
自力で解いてみたい方は、ここでいったんストップして挑戦してみてください。

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動画で解説を見たい方へ

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本問題を解く上での考え方・ポイント

$a^b\,$と$\, b^a \,$の2つの大小関係を考えさせられるような問題です。
このような形の2つの値を大小比較する問題は頻出なので、ぜひとも考え方をしっかり理解しておきたい問題です。
指数の形で大小比較なので、底や指数を揃えたいですが、$e\,$と$\,\pi\,$を揃えることができません。
そこで別の方針で考えていく必要があります。
指数で扱いにくいので、$e^\pi\,$と$\,\pi ^e \,の$それぞれを底$\, e\,$で自然対数を取ります。
(指数の肩に乗っている数字を前に出せます。)
(底$\, e\,$は1より大きいので大小関係は変わりません。)
$\pi \log e\,$と$\, e \log \pi\,$の大小関係が分かれば良いです。ですが、まだこの段階ではどちらが大きいかは分かりません。
この2つをさらにそれぞれ$\,e\pi\,$で割ります。
(これも正の値で割るので、大小関係は変わりません。)
そうすると、$\dfrac{\log e}{e}\,$と$\,\dfrac{\log \pi}{\pi}\,$の2つの大小関係が分かれば良いという問題に帰着します。
$\dfrac{\log x}{x}$を考えれば、微分してグラフの形が分かり、$\dfrac{\log e}{e}\,$と$\,\dfrac{\log \pi}{\pi}\,$の大小関係が分かりそうです。
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解答・解説

では、本問題のポイントが分かったところで解答です。

解答

$f(x)=\dfrac{\log x}{x}\,$とおく。$(x>0)$

$f'(x)=\dfrac{\frac{1}{x}\cdot x-1\cdot\log x}{x^2}$
$\qquad = \dfrac{1-\log x}{x^2}$

$f'(x)=0\,$のとき、$x=e$

$\therefore \,$ 増減表は下記の通り。

増減表の画像

$\therefore \,$ $\pi > e\,$より、$f(e)>f(\pi )$

$\therefore \,$ $\dfrac{\log e}{e} > \dfrac{\log \pi}{\pi}$
$\Leftrightarrow$ $\pi \log e>e\log \pi$
$\Leftrightarrow$ $\log e^\pi > \log \pi ^e$
$\Leftrightarrow$ $e^\pi > \pi ^e$

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さいごに

いかがでしたでしょうか。

今回は2013年一橋大学の微分を用いる大小比較の問題を解説しました。

両辺自然対数を取るという発想まではできても、意外と$\,e\pi\,$で割れば同じ形が出てくれるというのに気付くのが難しいのかなと思います。

$a^b,\, b^a\,$という2つの大小関係を考える問題は頻出で、解法は同じなのでぜひとも解けるようになっておきましょう。

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