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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 sin1z\sin^{-1}z を対数関数で表せ。

問題2

f(z)=(1eiz)/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_rz=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)。limr0Crf(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(1cosx)/x2dx\int_0^\infty(1-\cos x)/x^2\,dx を求めよ。

問題3

a>0a>0D={z:za}D=\{z:|z|\le a\} とする。ffDD を含む領域で正則とする。

(1) f(z)\overline{f(z)}DDzz 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)|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) C0C\ge0、円周 z=a|z|=a 上で f(z)=C|f(z)|=C とし、ffDD で定数でないとする。C0C\ne0 を示せ。

(4) (3) と同じ条件のもとで、ffDD 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 sin1z\sin^{-1}z

问题2f(z)=(1eiz)/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 r0r\to0Crf(z)dz\int_{C_r}f(z)dz 的极限。(3) 用复积分求 0(1cosx)/x2dx\int_0^\infty(1-\cos x)/x^2dx

问题3a>0a>0D={za}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|DD 为常数,则 ff 也为常数。(3) 设边界上 f=C0|f|=C\ge0,且 ff 非常数,证明 C0C\ne0。(4) 在同样条件下证明 ffDD 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 (kZ)\boxed{\pi/2+2\pi k\ (k\in\mathbb Z)}

(2) z=x+iyz=x+iy とすると Rez2=x2y2\operatorname{Re}z^2=x^2-y^2。従って領域は双曲線の間の部分

1+y2x1+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) sinw=z\sin w=zu=eiwu=e^{iw} とおくと u22izu1=0u^2-2izu-1=0。従って多価の対数および平方根を用いて

sin1z=ilog(iz±1z2).\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+iz6z224+.\boxed{f(z)=-\frac iz+\frac12+\frac{iz}6-\frac{z^2}{24}+\cdots}.

(2) z=reiθz=re^{i\theta}θ:π0\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 limr0Crf(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 eiz1|e^{iz}|\le1 より積分は O(R1)O(R^{-1})。よって (2) から

limr0,R(Rrf(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 01cosxx2dx=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_xf\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 f0f\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/fDD で正則。最大絶対値の原理を f,1/ff,1/f に適用すると fC|f|\le C かつ 1/f1/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。