東京工業大学 物質理工学院 材料系 2021年8月実施 第Iブロック [I-1] 数学
Author
Miyake, 祭音Myyura
Description
公式問題・2ページ
各問は導出過程を含めて解答する。
- x>0 で定義された y(x) について、xdy/dx=(x−1)y の一般解と、y(1)=1 を満たす解を求める。
- a>0 として、領域 x2+y2/4≤a2 上の積分
I=∬9a2−x2−y2/4dxdy
を計算する。
- 正則行列
A=(a−2−23),B=(1bb−2)
について、① det(AB)、② A の固有値が −1,4 かつ AB=BA の場合の a,b、③ B の固有ベクトルが (2,4)T,(2,−1)T の場合の Bn(正整数 n)を求める。
题目描述
-
设 x>0,函数 y(x) 满足可分离变量方程,其分离形式为
ydy=xx−1dx,
即可等价写成
dxdy=xx−1y.
求通解,并用初值 y(1)=1 求特解。此时积分常数为 C=1/e,特解为
y=xex−1.
-
计算二重积分
I=∬x2+y2/4≤a29a2−x2−4y2dxdy,
其中 a>0。可先令 Y=y/2,再在 xY 平面使用极坐标。
-
给定非奇异矩阵
A=(a−2−23),B=(1bb−2).
回答以下三小问:
-
用 a,b 表示 det(AB)。
-
已知 A 的特征值为 −1,4,且 AB=BA,求 a,b。
-
已知
(24),(2−1)
是 B 的特征向量,求 b,并对正整数 n 求 Bn。
Kai
(1)
与えられた微分方程式は変数分離型であり、次のように一般解を求められる:
ydylog∣y∣∴ y=xx−1dx=(1−x1)dx=x−log∣x∣+C0=xCex(x=0)
ここで、 C0,C は積分定数である。
零解も含め C は任意定数である。また、y(1)=1 より Ce=1、すなわち C=1/e となるので、
y=xex−1
を得る。
(2)
Y=y/2 とすると、 dxdy=2dxdY であり、与えられた積分範囲は xY 平面上の原点を中心とする半径 a の円である。
さらに、 x,Y に対して極座標 r,θ を導入する:
x=rcosθ, Y=2y=rsinθ
dxdY=rdrdθ である。
以上の準備の下で、次のように計算できる:
I=4π∫0a9a2−r2rdr=−34π[(9a2−r2)3/2]0a=34(27−162)πa3
(3)
①
∣AB∣=∣A∣∣B∣=(3a−4)(−2−b2)=−(3a−4)(b2+2)
まず、固有値が −1 と 4 ということはトレースが 3 なので、 a=0 がわかる。
このとき、
AB=(−2b−2+3b4−2b−6), BA=(−2b4−2+3b−2b−6)
なので、 AB=BA となるのは b=2 のときである。
与えられた2つのベクトルが B の固有ベクトルになるのは、 b=−2 のときである:
B=(1−2−2−2)
与えられた2つの固有ベクトルを使って、
P=51(122−1)
とおくと、
P2=(1001), PBP=(−3002)
なので、次のように計算できる:
Bn=P(−3002)nP=P((−3)n002n)P=51(2n+2+(−3)n−2n+1+2⋅(−3)n−2n+1+2⋅(−3)n2n+4⋅(−3)n)