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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。

  1. x>0x>0 で定義された y(x)y(x) について、xdy/dx=(x1)yx\,dy/dx=(x-1)y の一般解と、y(1)=1y(1)=1 を満たす解を求める。
  2. a>0a>0 として、領域 x2+y2/4a2x^2+y^2/4\le a^2 上の積分
    I=9a2x2y2/4dxdyI=\iint\sqrt{9a^2-x^2-y^2/4}\,dx\,dy
    を計算する。
  3. 正則行列
    A=(a223),B=(1bb2)A=\begin{pmatrix}a&-2\\-2&3\end{pmatrix},\qquad B=\begin{pmatrix}1&b\\b&-2\end{pmatrix}
    について、① det(AB)\det(AB)、② AA の固有値が 1,4-1,4 かつ AB=BAAB=BA の場合の a,ba,b、③ BB の固有ベクトルが (2,4)T,(2,1)T(2,4)^{\mathsf T},(2,-1)^{\mathsf T} の場合の BnB^n(正整数 nn)を求める。

题目描述

  1. x>0x>0,函数 y(x)y(x) 满足可分离变量方程,其分离形式为

    dyy=x1xdx,\frac{\mathrm dy}{y} =\frac{x-1}{x}\,\mathrm dx,

    即可等价写成

    dydx=x1xy.\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx} =\frac{x-1}{x}y.

    求通解,并用初值 y(1)=1y(1)=1 求特解。此时积分常数为 C=1/eC=1/e,特解为

    y=ex1x.y=\frac{e^{x-1}}x.
  2. 计算二重积分

    I=x2+y2/4a29a2x2y24dxdy,I= \iint_{x^2+y^2/4\leq a^2} \sqrt{9a^2-x^2-\frac{y^2}{4}}\, \mathrm dx\,\mathrm dy,

    其中 a>0a>0。可先令 Y=y/2Y=y/2,再在 xYxY 平面使用极坐标。

  3. 给定非奇异矩阵

    A=(a223),B=(1bb2).A= \begin{pmatrix} a&-2\\ -2&3 \end{pmatrix}, \qquad B= \begin{pmatrix} 1&b\\ b&-2 \end{pmatrix}.

    回答以下三小问:

    1. a,ba,b 表示 det(AB)\det(AB)

    2. 已知 AA 的特征值为 1,4-1,4,且 AB=BAAB=BA,求 a,ba,b

    3. 已知

      (24),(21)\begin{pmatrix}2\\4\end{pmatrix}, \qquad \begin{pmatrix}2\\-1\end{pmatrix}

      BB 的特征向量,求 bb,并对正整数 nnBnB^n

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:

dyy=x1xdx=(11x)dxlogy=xlogx+C0  y=Cexx(x0)\begin{aligned} \frac{dy}{y} &= \frac{x-1}{x} dx \\ &= \left( 1 - \frac{1}{x} \right) dx \\ \log |y| &= x - \log |x| + C_0 \\ \therefore \ \ y &= \frac{C e^x}{x}\qquad(x\ne0) \end{aligned}

ここで、 C0,CC_0, C は積分定数である。

零解も含め CC は任意定数である。また、y(1)=1y(1)=1 より Ce=1Ce=1、すなわち C=1/eC=1/e となるので、

y=ex1x\begin{aligned} y &= \frac{e^{x-1}}{x} \end{aligned}

を得る。

(2)

Y=y/2Y=y/2 とすると、 dxdy=2dxdYdxdy = 2dxdY であり、与えられた積分範囲は xYxY 平面上の原点を中心とする半径 aa の円である。

さらに、 x,Yx,Y に対して極座標 r,θr, \theta を導入する:

x=rcosθ,  Y=y2=rsinθ\begin{aligned} x = r \cos \theta, \ \ Y = \frac{y}{2} = r \sin \theta \end{aligned}

dxdY=rdrdθdxdY = r dr d \theta である。 以上の準備の下で、次のように計算できる:

I=4π0a9a2r2rdr=4π3[(9a2r2)3/2]0a=43(27162)πa3\begin{aligned} I &= 4 \pi \int_0^a \sqrt{9a^2 - r^2} r dr \\ &= - \frac{4 \pi}{3} \left[ \left( 9a^2 - r^2 \right)^{3/2} \right]_0^a \\ &= \frac{4}{3} \left( 27-16 \sqrt{2} \right) \pi a^3 \end{aligned}

(3)

AB=AB=(3a4)(2b2)=(3a4)(b2+2) \begin{aligned} \left| AB \right| &= \left| A \right| \left| B \right| \\ &= (3a-4)(-2-b^2) \\ &= -(3a-4)(b^2+2) \end{aligned}

まず、固有値が 1-144 ということはトレースが 33 なので、 a=0a=0 がわかる。 このとき、

AB=(2b42+3b2b6),  BA=(2b2+3b42b6) \begin{aligned} AB = \begin{pmatrix} -2b & 4 \\ -2+3b & -2b-6 \end{pmatrix} , \ \ BA = \begin{pmatrix} -2b & -2+3b \\ 4 & -2b-6 \end{pmatrix} \end{aligned}

なので、 AB=BAAB=BA となるのは b=2b=2 のときである。

与えられた2つのベクトルが BB の固有ベクトルになるのは、 b=2b=-2 のときである:

B=(1222)\begin{aligned} B = \begin{pmatrix} 1 & -2 \\ -2 & -2 \end{pmatrix} \end{aligned}

与えられた2つの固有ベクトルを使って、

P=15(1221)\begin{aligned} P = \frac{1}{\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 2 & -1 \end{pmatrix} \end{aligned}

とおくと、

P2=(1001),  PBP=(3002)\begin{aligned} P^2 = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} , \ \ PBP = \begin{pmatrix} -3 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix} \end{aligned}

なので、次のように計算できる:

Bn=P(3002)nP=P((3)n002n)P=15(2n+2+(3)n2n+1+2(3)n2n+1+2(3)n2n+4(3)n)\begin{aligned} B^n &= P \begin{pmatrix} -3 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}^n P \\ &= P \begin{pmatrix} (-3)^n & 0 \\ 0 & 2^n \end{pmatrix} P \\ &= \frac{1}{5} \begin{pmatrix} 2^{n+2} + (-3)^n & -2^{n+1} + 2 \cdot (-3)^n \\ -2^{n+1} + 2 \cdot (-3)^n & 2^n + 4 \cdot (-3)^n \end{pmatrix} \end{aligned}