京都大学 情報学研究科 システム科学専攻 2007年8月実施 数学【II】
Author
犬 (finalized by 祭音Myyura with assistance from GPT 6 Astra)
Description
(i) 開区間 K⊂R 上で微分可能な実関数 f が常に f′(x)>f(x) を満たすとき、g(x)=e−xf(x) は K で単調増加することを示せ。
(ii) 同じ条件下で f(x)=0 の解は K 内に高々一つであることを示せ。
(iii) 0<a<1、n を自然数とする。方程式 aex=∑k=0nxk/k! は (0,∞) に解をちょうど一つもつことを示せ。
n を自然数、ω=e2πi/n とし、A=(ω(j−1)(k−1))j,k=1n とする。
(i) 各成分の共役をとった行列を Aˉ とするとき、AAˉ=nI を示せ。
(ii) 次の行列式の表示を使い、nn=∏1≤j<k≤n(2sin((k−j)π/n))2 を示せ。
detA=1≤j<k≤n∏(2iω(j+k)/2−1sinn(k−j)π).
(iii) (ii) の結果を使い、∬0≤x≤y≤πlogsin(y−x)dxdy を求めよ。
题目描述
(i) 开区间 K 上的可微实函数 f 满足 f′>f,证明 e−xf(x) 严格递增。
(ii) 证明相同条件下 f(x)=0 在 K 内至多有一个解。
(iii) 0<a<1,n 为正整数。证明 aex=∑k=0nxk/k! 在 (0,∞) 恰有一个解。
令 ω=e2πi/n,Ajk=ω(j−1)(k−1)。
(i) Aˉ 表示逐元素取共轭,证明 AAˉ=nI。
(ii) 利用 detA=∏1≤j<k≤n[2iω(j+k)/2−1sin((k−j)π/n)],证明 nn=∏1≤j<k≤n[2sin((k−j)π/n)]2。
(iii) 利用 (ii) 计算 ∬0≤x≤y≤πlogsin(y−x)dxdy。
Kai
(i) g′(x)=e−x(f′(x)−f(x))>0。
(ii) e−x>0 より f と g の零点は一致する。厳密単調増加な g の零点は高々一つ。
(iii) f(x)=aex−∑k=0nxk/k! とおくと f′(x)−f(x)=xn/n!>0。よって正の零点は高々一つ。一方、f(0)=a−1<0、limx→∞f(x)=∞ なので、中間値の定理より正の零点が存在する。
(i) 等比数列の和より
(AAˉ)jk=ℓ=0∑n−1ω(j−k)ℓ={n0j=k,j=k.
(ii) (i) の行列式をとれば ∣detA∣2=nn。与えられた積表示の各因子の絶対値が 2sin((k−j)π/n) であることから従う。
(iii) (ii) の両辺の対数をとり、d=k−j ごとにまとめると
2nlogn=n1d=1∑n−1(1−nd)log(2sinnπd).
n→∞ とすれば右辺は ∫01(1−u)log(2sinπu)du に収束し、その値は 0。端点付近では sinπu≍u、sinπu≍1−u であり、幅 δ の区間の積分と和は O(δ∣logδ∣)+O((logn)/n) で抑えられるため、この極限は正当化される。
u=(y−x)/π と変数変換して
∬0≤x≤y≤πlogsin(y−x)dxdy=π2∫01(1−u)logsin(πu)du=−2π2log2.