京都大学 情報学研究科 システム科学専攻 2011年8月実施 専門科目 工業数学
Author
犬 (finalized by 祭音Myyura with assistance from GPT 6 Astra)
Description
問題1
(1) ( 1 + i ) 2 (1+i)^2 ( 1 + i ) 2 の絶対値と偏角を求めよ。
(2) 領域 Re ( z 2 ) ≤ 1 \operatorname{Re}(z^2)\le1 Re ( z 2 ) ≤ 1 を複素平面に図示せよ。
(3) 逆正弦関数 sin − 1 z \sin^{-1}z sin − 1 z を対数関数で表せ。
問題2
f ( z ) = ( 1 − e i z ) / z 2 f(z)=(1-e^{iz})/z^2 f ( z ) = ( 1 − e i z ) / z 2 とする。
(1) z = 0 z=0 z = 0 のまわりでローラン展開せよ。
(2) C r C_r C r は ∣ z ∣ = r |z|=r ∣ z ∣ = r の上半円を z = − r z=-r z = − r から z = r z=r z = r まで進む経路である(r > 0 r>0 r > 0 )。lim r → 0 ∫ C r f ( z ) d z \lim_{r\to0}\int_{C_r}f(z)dz lim r → 0 ∫ C r f ( z ) d z を求めよ。
(3) 複素積分を用いて ∫ 0 ∞ ( 1 − cos x ) / x 2 d x \int_0^\infty(1-\cos x)/x^2\,dx ∫ 0 ∞ ( 1 − cos x ) / x 2 d x を求めよ。
問題3
a > 0 a>0 a > 0 、D = { z : ∣ z ∣ ≤ a } D=\{z:|z|\le a\} D = { z : ∣ z ∣ ≤ a } とする。f f f は D D D を含む領域で正則とする。
(1) f ( z ) ‾ \overline{f(z)} f ( z ) も D D D で z z z の関数として正則なら、f f f は定数であることを示せ。
(2) ∣ f ( z ) ∣ |f(z)| ∣ f ( z ) ∣ が D D D で定数なら、f f f 自身も定数であることを (1) を用いて示せ。
(3) C ≥ 0 C\ge0 C ≥ 0 、円周 ∣ z ∣ = a |z|=a ∣ z ∣ = a 上で ∣ f ( z ) ∣ = C |f(z)|=C ∣ f ( z ) ∣ = C とし、f f f は D D D で定数でないとする。C ≠ 0 C\ne0 C = 0 を示せ。
(4) (3) と同じ条件のもとで、f f f は D D D 内に零点をもつことを示せ。
题目描述
问题1 (1) 求 ( 1 + i ) 2 (1+i)^2 ( 1 + i ) 2 的模与辐角。(2) 画出 Re ( z 2 ) ≤ 1 \operatorname{Re}(z^2)\le1 Re ( z 2 ) ≤ 1 的区域。(3) 用对数表示复反正弦 sin − 1 z \sin^{-1}z sin − 1 z 。
问题2 设 f ( z ) = ( 1 − e i z ) / z 2 f(z)=(1-e^{iz})/z^2 f ( z ) = ( 1 − e i z ) / z 2 。(1) 在原点作 Laurent 展开。(2) C r C_r C r 沿 ∣ z ∣ = r |z|=r ∣ z ∣ = r 的上半圆从 − r -r − r 走向 r r r ,求 r → 0 r\to0 r → 0 时 ∫ C r f ( z ) d z \int_{C_r}f(z)dz ∫ C r f ( z ) d z 的极限。(3) 用复积分求 ∫ 0 ∞ ( 1 − cos x ) / x 2 d x \int_0^\infty(1-\cos x)/x^2dx ∫ 0 ∞ ( 1 − cos x ) / x 2 d x 。
问题3 设 a > 0 a>0 a > 0 ,D = { ∣ z ∣ ≤ a } D=\{|z|\le a\} D = { ∣ z ∣ ≤ a } ,f f f 在包含 D D D 的区域全纯。(1) 若 f ( z ) ‾ \overline{f(z)} f ( z ) 也全纯,证明 f f f 为常数。(2) 利用 (1) 证明:若 ∣ f ∣ |f| ∣ f ∣ 在 D D D 为常数,则 f f f 也为常数。(3) 设边界上 ∣ f ∣ = C ≥ 0 |f|=C\ge0 ∣ f ∣ = C ≥ 0 ,且 f f f 非常数,证明 C ≠ 0 C\ne0 C = 0 。(4) 在同样条件下证明 f f f 在 D D D 内有零点。
Kai
問題1
(1) ( 1 + i ) 2 = 2 i (1+i)^2=2i ( 1 + i ) 2 = 2 i なので絶対値は 2 \boxed2 2 、偏角は π / 2 + 2 π k ( k ∈ Z ) \boxed{\pi/2+2\pi k\ (k\in\mathbb Z)} π /2 + 2 πk ( k ∈ Z ) 。
(2) z = x + i y z=x+iy z = x + i y とすると Re z 2 = x 2 − y 2 \operatorname{Re}z^2=x^2-y^2 Re z 2 = x 2 − y 2 。従って領域は双曲線の間の部分
− 1 + y 2 ≤ x ≤ 1 + y 2 \boxed{-\sqrt{1+y^2}\le x\le\sqrt{1+y^2}} − 1 + y 2 ≤ x ≤ 1 + y 2
であり、境界を含む。
(3) sin w = z \sin w=z sin w = z 、u = e i w u=e^{iw} u = e i w とおくと u 2 − 2 i z u − 1 = 0 u^2-2izu-1=0 u 2 − 2 i z u − 1 = 0 。従って多価の対数および平方根を用いて
sin − 1 z = − i log ( i z ± 1 − z 2 ) . \boxed{\sin^{-1}z=-i\log\left(iz\pm\sqrt{1-z^2}\right)}. sin − 1 z = − i log ( i z ± 1 − z 2 ) .
問題2
(1) 指数関数の級数から
f ( z ) = − i z + 1 2 + i z 6 − z 2 24 + ⋯ . \boxed{f(z)=-\frac iz+\frac12+\frac{iz}6-\frac{z^2}{24}+\cdots}. f ( z ) = − z i + 2 1 + 6 i z − 24 z 2 + ⋯ .
(2) z = r e i θ z=re^{i\theta} z = r e i θ 、θ : π → 0 \theta:\pi\to0 θ : π → 0 とすると、( − i / z ) d z = d θ (-i/z)dz=d\theta ( − i / z ) d z = d θ 。正則部分の積分は O ( r ) O(r) O ( r ) なので lim r → 0 ∫ C r f ( z ) d z = − π \boxed{\lim_{r\to0}\int_{C_r}f(z)dz=-\pi} r → 0 lim ∫ C r f ( z ) d z = − π 。
(3) 上半平面で半径 R R R の大半円と C r C_r C r からなる、原点を避ける閉経路を用いる。内部には極がない。大円弧上で ∣ e i z ∣ ≤ 1 |e^{iz}|\le1 ∣ e i z ∣ ≤ 1 より積分は O ( R − 1 ) O(R^{-1}) O ( R − 1 ) 。よって (2) から
lim r → 0 , R → ∞ ( ∫ − R − r f ( x ) d x + ∫ r R f ( x ) d x ) = π . \lim_{r\to0,R\to\infty}\left(\int_{-R}^{-r}f(x)dx+\int_r^Rf(x)dx\right)=\pi. r → 0 , R → ∞ lim ( ∫ − R − r f ( x ) d x + ∫ r R f ( x ) d x ) = π .
実部は偶関数なので ∫ 0 ∞ 1 − cos x x 2 d x = π 2 \boxed{\int_0^\infty\frac{1-\cos x}{x^2}dx=\frac\pi2} ∫ 0 ∞ x 2 1 − cos x d x = 2 π 。
問題3
(1) f = u + i v f=u+iv f = u + i v とする。f f f の正則性から u x = v y , u y = − v x u_x=v_y,u_y=-v_x u x = v y , u y = − v x 、f ‾ \overline f f の正則性から u x = − v y , u y = v x u_x=-v_y,u_y=v_x u x = − v y , u y = v x 。従ってすべての一階偏導関数が零となり、f f f は定数。
(2) ∣ f ∣ = c |f|=c ∣ f ∣ = c とする。c = 0 c=0 c = 0 なら明らか。c > 0 c>0 c > 0 なら f ‾ = c 2 / f \overline f=c^2/f f = c 2 / f は正則なので (1) を適用できる。
(3) C = 0 C=0 C = 0 なら最大絶対値の原理から f ≡ 0 f\equiv0 f ≡ 0 となり、非定数性に反する。従って C > 0 \boxed{C>0} C > 0 。
(4) 零点がないと仮定すれば 1 / f 1/f 1/ f も D D D で正則。最大絶対値の原理を f , 1 / f f,1/f f , 1/ f に適用すると ∣ f ∣ ≤ C |f|\le C ∣ f ∣ ≤ C かつ 1 / ∣ f ∣ ≤ 1 / C 1/|f|\le1/C 1/∣ f ∣ ≤ 1/ C 。従って ∣ f ∣ = C |f|=C ∣ f ∣ = C となり、(2) より f f f は定数となる。矛盾だから円板内部に零点がある。