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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 の絶対値と偏角を求めよ。

(2) 領域 Re⁡(z2)≤1\operatorname{Re}(z^2)\le1 を複素平面に図示せよ。

(3) 逆正弦関数 sin⁡−1z\sin^{-1}z を対数関数で表せ。

問題2​

f(z)=(1−eiz)/z2f(z)=(1-e^{iz})/z^2 とする。

(1) z=0z=0 のまわりでローラン展開せよ。

(2) CrC_r は ∣z∣=r|z|=r の上半円を z=−rz=-r から z=rz=r まで進む経路である(r>0r>0)。lim⁡r→0∫Crf(z)dz\lim_{r\to0}\int_{C_r}f(z)dz を求めよ。

(3) 複素積分を用いて ∫0∞(1−cos⁡x)/x2 dx\int_0^\infty(1-\cos x)/x^2\,dx を求めよ。

問題3​

a>0a>0、D={z:∣z∣≤a}D=\{z:|z|\le a\} とする。ff は DD を含む領域で正則とする。

(1) f(z)‾\overline{f(z)} も DD で zz の関数として正則なら、ff は定数であることを示せ。

(2) ∣f(z)∣|f(z)| が DD で定数なら、ff 自身も定数であることを (1) を用いて示せ。

(3) C≥0C\ge0、円周 ∣z∣=a|z|=a 上で ∣f(z)∣=C|f(z)|=C とし、ff は DD で定数でないとする。C≠0C\ne0 を示せ。

(4) (3) と同じ条件のもとで、ff は DD 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 的模与辐角。(2) 画出 Re⁡(z2)≤1\operatorname{Re}(z^2)\le1 的区域。(3) 用对数表示复反正弦 sin⁡−1z\sin^{-1}z。

问题2 设 f(z)=(1−eiz)/z2f(z)=(1-e^{iz})/z^2。(1) 在原点作 Laurent 展开。(2) CrC_r 沿 ∣z∣=r|z|=r 的上半圆从 −r-r 走向 rr,求 r→0r\to0 时 ∫Crf(z)dz\int_{C_r}f(z)dz 的极限。(3) 用复积分求 ∫0∞(1−cos⁡x)/x2dx\int_0^\infty(1-\cos x)/x^2dx。

问题3 设 a>0a>0,D={∣z∣≤a}D=\{|z|\le a\},ff 在包含 DD 的区域全纯。(1) 若 f(z)‾\overline{f(z)} 也全纯,证明 ff 为常数。(2) 利用 (1) 证明:若 ∣f∣|f| 在 DD 为常数,则 ff 也为常数。(3) 设边界上 ∣f∣=C≥0|f|=C\ge0,且 ff 非常数,证明 C≠0C\ne0。(4) 在同样条件下证明 ff 在 DD 内有零点。

Kai​

問題1​

(1) (1+i)2=2i(1+i)^2=2i なので絶対値は 2\boxed2、偏角は π/2+2πk (k∈Z)\boxed{\pi/2+2\pi k\ (k\in\mathbb Z)}。

(2) z=x+iyz=x+iy とすると Re⁡z2=x2−y2\operatorname{Re}z^2=x^2-y^2。従って領域は双曲線の間の部分

−1+y2≤x≤1+y2\boxed{-\sqrt{1+y^2}\le x\le\sqrt{1+y^2}}

であり、境界を含む。

双曲線領域と原点を避ける上半平面の積分経路

(3) sin⁡w=z\sin w=z、u=eiwu=e^{iw} とおくと u2−2izu−1=0u^2-2izu-1=0。従って多価の対数および平方根を用いて

sin⁡−1z=−ilog⁡(iz±1−z2).\boxed{\sin^{-1}z=-i\log\left(iz\pm\sqrt{1-z^2}\right)}.

問題2​

(1) 指数関数の級数から

f(z)=−iz+12+iz6−z224+⋯.\boxed{f(z)=-\frac iz+\frac12+\frac{iz}6-\frac{z^2}{24}+\cdots}.

(2) z=reiθz=re^{i\theta}、θ:π→0\theta:\pi\to0 とすると、(−i/z)dz=dθ(-i/z)dz=d\theta。正則部分の積分は O(r)O(r) なので lim⁡r→0∫Crf(z)dz=−π\boxed{\lim_{r\to0}\int_{C_r}f(z)dz=-\pi}。

(3) 上半平面で半径 RR の大半円と CrC_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 ∣eiz∣≤1|e^{iz}|\le1 より積分は O(R−1)O(R^{-1})。よって (2) から

lim⁡r→0,R→∞(∫−R−rf(x)dx+∫rRf(x)dx)=π.\lim_{r\to0,R\to\infty}\left(\int_{-R}^{-r}f(x)dx+\int_r^Rf(x)dx\right)=\pi.

実部は偶関数なので ∫0∞1−cos⁡xx2dx=π2\boxed{\int_0^\infty\frac{1-\cos x}{x^2}dx=\frac\pi2}。

問題3​

(1) f=u+ivf=u+iv とする。ff の正則性から ux=vy,uy=−vxu_x=v_y,u_y=-v_x、f‾\overline f の正則性から ux=−vy,uy=vxu_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、ff は定数。

(2) ∣f∣=c|f|=c とする。c=0c=0 なら明らか。c>0c>0 なら f‾=c2/f\overline f=c^2/f は正則なので (1) を適用できる。

(3) C=0C=0 なら最大絶対値の原理から f≡0f\equiv0 となり、非定数性に反する。従って C>0\boxed{C>0}。

(4) 零点がないと仮定すれば 1/f1/f も DD で正則。最大絶対値の原理を f,1/ff,1/f に適用すると ∣f∣≤C|f|\le C かつ 1/∣f∣≤1/C1/|f|\le1/C。従って ∣f∣=C|f|=C となり、(2) より ff は定数となる。矛盾だから円板内部に零点がある。