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神戸大学 システム情報学研究科 2019年8月実施 数学 [1]

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)

Description

(1)

nn を自然数とし,

fn(x,y)=(an+bnen2x)cosnyf_n(x,y)=\left(a_n+b_ne^{-n^2x}\right)\cos ny

を考える。

(1-a)

fnf_n

fnx(x,y)=2fny2(x,y)+ncosny,x>0,0<y<π,\frac{\partial f_n}{\partial x}(x,y) =\frac{\partial^2f_n}{\partial y^2}(x,y)+\sqrt n\cos ny, \qquad x>0,\quad 0<y<\pi,

および

fn(0,y)=0,0<y<πf_n(0,y)=0,\qquad 0<y<\pi

を満たすように,係数 an,bna_n,b_n を定めよ。

(1-b)

D={(x,y):x>0, 0yπ}D=\{(x,y):x>0,\ 0\le y\le\pi\} とする。(1-a) の係数をもつ fnf_n について,任意に固定された (x,y)D(x,y)\in D に対する

limnfn(x,y)\lim_{n\to\infty}f_n(x,y)

を求めよ。

(2)

a,ba,b を相異なる実数とし,

A=(a+bababa+b)A=\begin{pmatrix}a+b&a-b\\a-b&a+b\end{pmatrix}

を考える。

  1. AA の固有値および固有ベクトルを求めよ。
  2. 自然数 nn に対して AnA^n を求めよ。

题目描述

  1. nn 为自然数,fn(x,y)=(an+bnen2x)cosnyf_n(x,y)=(a_n+b_ne^{-n^2x})\cos ny
    1. 求使 fnf_n 满足题给偏微分方程及边界条件 fn(0,y)=0f_n(0,y)=0an,bna_n,b_n
    2. 对任意固定的 (x,y)D={x>0,0yπ}(x,y)\in D=\{x>0,0\le y\le\pi\},求 limnfn(x,y)\lim_{n\to\infty}f_n(x,y)
  2. 对相异实数 a,ba,b 及题给对称矩阵 AA,求其特征值、特征向量和 AnA^n

Kai

(1)

(1-a)

fnx=n2bnen2xcosny,\frac{\partial f_n}{\partial x} =-n^2b_ne^{-n^2x}\cos ny,
2fny2+ncosny=[n2(an+bnen2x)+n]cosny.\frac{\partial^2f_n}{\partial y^2}+\sqrt n\cos ny =\left[-n^2(a_n+b_ne^{-n^2x})+\sqrt n\right]\cos ny.

両者を比較すると

n2an+n=0,an=n3/2.-n^2a_n+\sqrt n=0,\qquad a_n=n^{-3/2}.

また fn(0,y)=0f_n(0,y)=0 より an+bn=0a_n+b_n=0 である。したがって

an=1n3/2,bn=1n3/2,\boxed{a_n=\frac1{n^{3/2}},\qquad b_n=-\frac1{n^{3/2}}},
fn(x,y)=1en2xn3/2cosny.f_n(x,y)=\frac{1-e^{-n^2x}}{n^{3/2}}\cos ny.

(1-b)

x>0x>0 では 0<1en2x<10<1-e^{-n^2x}<1 であり,cosny1|\cos ny|\le1 だから

fn(x,y)1n3/20.|f_n(x,y)|\le \frac1{n^{3/2}}\longrightarrow0.

よって

limnfn(x,y)=0.\boxed{\displaystyle\lim_{n\to\infty}f_n(x,y)=0}.

(2)

(2-a)

A(11)=2a(11),A(11)=2b(11).A\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix} =2a\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}, \qquad A\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix} =2b\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}.

aba\ne b より固有値は相異なる。したがって

λ=2a: v=c(11),λ=2b: v=c(11)(c0).\boxed{\lambda=2a:\ \boldsymbol v=c\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}, \qquad \lambda=2b:\ \boldsymbol v=c\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}\quad(c\ne0)}.

(2-b)

P=(1111),P1=12P,A=P(2a002b)P1.P=\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}, \qquad P^{-1}=\frac12P, \qquad A=P\begin{pmatrix}2a&0\\0&2b\end{pmatrix}P^{-1}.

ゆえに,n1n\ge1 に対して

An=12((2a)n+(2b)n(2a)n(2b)n(2a)n(2b)n(2a)n+(2b)n)\boxed{ A^n=\frac12 \begin{pmatrix} (2a)^n+(2b)^n&(2a)^n-(2b)^n\\ (2a)^n-(2b)^n&(2a)^n+(2b)^n \end{pmatrix}}

である。なお A0=IA^0=I である。