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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

問1

(i) 開区間 KRK\subset\mathbb R 上で微分可能な実関数 ff が常に f(x)>f(x)f'(x)>f(x) を満たすとき、g(x)=exf(x)g(x)=e^{-x}f(x)KK で単調増加することを示せ。

(ii) 同じ条件下で f(x)=0f(x)=0 の解は KK 内に高々一つであることを示せ。

(iii) 0<a<10<a<1nn を自然数とする。方程式 aex=k=0nxk/k!ae^x=\sum_{k=0}^n x^k/k!(0,)(0,\infty) に解をちょうど一つもつことを示せ。

問2

nn を自然数、ω=e2πi/n\omega=e^{2\pi i/n} とし、A=(ω(j1)(k1))j,k=1nA=(\omega^{(j-1)(k-1)})_{j,k=1}^n とする。

(i) 各成分の共役をとった行列を Aˉ\bar A とするとき、AAˉ=nIA\bar A=nI を示せ。

(ii) 次の行列式の表示を使い、nn=1j<kn(2sin((kj)π/n))2n^n=\prod_{1\le j<k\le n}(2\sin((k-j)\pi/n))^2 を示せ。

detA=1j<kn(2iω(j+k)/21sin(kj)πn).\det A=\prod_{1\le j<k\le n}\left(2i\omega^{(j+k)/2-1}\sin\frac{(k-j)\pi}{n}\right).

(iii) (ii) の結果を使い、0xyπlogsin(yx)dxdy\iint_{0\le x\le y\le\pi}\log\sin(y-x)\,dx\,dy を求めよ。

题目描述

问1

(i) 开区间 KK 上的可微实函数 ff 满足 f>ff'>f,证明 exf(x)e^{-x}f(x) 严格递增。

(ii) 证明相同条件下 f(x)=0f(x)=0KK 内至多有一个解。

(iii) 0<a<10<a<1nn 为正整数。证明 aex=k=0nxk/k!ae^x=\sum_{k=0}^n x^k/k!(0,)(0,\infty) 恰有一个解。

问2

ω=e2πi/n\omega=e^{2\pi i/n}Ajk=ω(j1)(k1)A_{jk}=\omega^{(j-1)(k-1)}

(i) Aˉ\bar A 表示逐元素取共轭,证明 AAˉ=nIA\bar A=nI

(ii) 利用 detA=1j<kn[2iω(j+k)/21sin((kj)π/n)]\det A=\prod_{1\le j<k\le n}[2i\omega^{(j+k)/2-1}\sin((k-j)\pi/n)],证明 nn=1j<kn[2sin((kj)π/n)]2n^n=\prod_{1\le j<k\le n}[2\sin((k-j)\pi/n)]^2

(iii) 利用 (ii) 计算 0xyπlogsin(yx)dxdy\iint_{0\le x\le y\le\pi}\log\sin(y-x)\,dx\,dy

Kai

問1

(i) g(x)=ex(f(x)f(x))>0g'(x)=e^{-x}(f'(x)-f(x))>0

(ii) ex>0e^{-x}>0 より ffgg の零点は一致する。厳密単調増加な gg の零点は高々一つ。

(iii) f(x)=aexk=0nxk/k!f(x)=ae^x-\sum_{k=0}^n x^k/k! とおくと f(x)f(x)=xn/n!>0f'(x)-f(x)=x^n/n!>0。よって正の零点は高々一つ。一方、f(0)=a1<0f(0)=a-1<0limxf(x)=\lim_{x\to\infty}f(x)=\infty なので、中間値の定理より正の零点が存在する。

問2

(i) 等比数列の和より

(AAˉ)jk==0n1ω(jk)={nj=k,0jk.(A\bar A)_{jk}=\sum_{\ell=0}^{n-1}\omega^{(j-k)\ell} =\begin{cases}n&j=k,\\0&j\ne k.\end{cases}

(ii) (i) の行列式をとれば detA2=nn|\det A|^2=n^n。与えられた積表示の各因子の絶対値が 2sin((kj)π/n)2\sin((k-j)\pi/n) であることから従う。

(iii) (ii) の両辺の対数をとり、d=kjd=k-j ごとにまとめると

logn2n=1nd=1n1(1dn)log(2sinπdn).\frac{\log n}{2n} =\frac1n\sum_{d=1}^{n-1}\left(1-\frac dn\right) \log\left(2\sin\frac{\pi d}{n}\right).

nn\to\infty とすれば右辺は 01(1u)log(2sinπu)du\int_0^1(1-u)\log(2\sin\pi u)\,du に収束し、その値は 00。端点付近では sinπuu\sin\pi u\asymp usinπu1u\sin\pi u\asymp1-u であり、幅 δ\delta の区間の積分と和は O(δlogδ)+O((logn)/n)O(\delta|\log\delta|)+O((\log n)/n) で抑えられるため、この極限は正当化される。

u=(yx)/πu=(y-x)/\pi と変数変換して

0xyπlogsin(yx)dxdy=π201(1u)logsin(πu)du=π22log2.\begin{aligned} \iint_{0\le x\le y\le\pi}\log\sin(y-x)\,dx\,dy &=\pi^2\int_0^1(1-u)\log\sin(\pi u)\,du\\ &=\boxed{-\frac{\pi^2}{2}\log2}. \end{aligned}