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千葉大学 理学研究科 基盤理学専攻 数学・情報数理学コース 2016年8月実施 専門 A2

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

1<x<1-1<x<1 に対して

f(x)=0xdtt41,F(x)=0xf(t)dtf(x)=\int_0^x\frac{dt}{t^4-1},\qquad F(x)=\int_0^xf(t)\,dt

と定める。

(1) f(x)f(x) を求めよ。

(2) F(x)F(x) を求めよ。

(3) FF の原点での Taylor 展開と収束半径を求めよ。

(4) D={(x,y):x2+y2<1/2}D=\{(x,y):x^2+y^2<1/2\} における φ(x,y)=f(x2+y2)\varphi(x,y)=f(x^2+y^2) の極値を求めよ。

题目描述

1<x<1-1<x<1,定义 f(x)=0xdt/(t41)f(x)=\int_0^xdt/(t^4-1)F(x)=0xf(t)dtF(x)=\int_0^xf(t)\,dt

(1) 计算 ff

(2) 计算 FF

(3) 求 FF 在原点的 Taylor 展开及收敛半径。

(4) 求 φ(x,y)=f(x2+y2)\varphi(x,y)=f(x^2+y^2) 在圆盘 x2+y2<1/2x^2+y^2<1/2 中的极值。

Kai

(1)

1t41=14(t1)14(t+1)12(t2+1).\frac1{t^4-1}=\frac1{4(t-1)}-\frac1{4(t+1)}-\frac1{2(t^2+1)}.

従って

f(x)=14log1x1+x12arctanx.f(x)=\frac14\log\frac{1-x}{1+x}-\frac12\arctan x.

(2)

(1) を積分して定数を F(0)=0F(0)=0 で決めると

F(x)=14log1+x21x2+x4log1x1+xx2arctanx.F(x)=\frac14\log\frac{1+x^2}{1-x^2} +\frac x4\log\frac{1-x}{1+x}-\frac x2\arctan x.

(3)

t<1|t|<11/(t41)=n0t4n1/(t^4-1)=-\sum_{n\ge0}t^{4n}。二回項別積分して

F(x)=n=0x4n+2(4n+1)(4n+2).F(x)=-\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^{4n+2}}{(4n+1)(4n+2)}.

元の幾何級数の収束半径は 11 で、項別積分で変わらないので、求める収束半径も 11

(4)

0s<1/20\le s<1/2 では f(s)=1/(s41)<0f'(s)=1/(s^4-1)<0。従って f(x2+y2)f(0)=0f(x^2+y^2)\le f(0)=0 であり、等号は (x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0) のときのみ。

また

φ=2(x,y)(x2+y2)41\nabla\varphi=\frac{2(x,y)}{(x^2+y^2)^4-1}

より、他の臨界点はない。従って唯一の極値は原点における極大値 00(最大値でもある)であり、極小値は存在しない。