京都大学 情報学研究科 システム科学専攻 2025年8月実施 複素関数論
Author
犬 (finalized by 祭音Myyura with assistance from GPT 6 Astra)
Description
i は虚数単位、e は自然対数の底、π は円周率、Z は整数全体とする。Rez,Imz は複素数 z の実部と虚部を表す。
問題1
(1) tanhz=(ez−e−z)/(ez+e−z) と定義する。tanhz=−3 の解をすべて求めよ。
(2) x=Rez,y=Imz とおく。実定数 a に対し fa(z)=x2+ay2 が複素平面上のある領域で正則となる a が存在するか。存在すれば a とその領域を、存在しなければその証明を与えよ。
(3) f(z)=n=0∑∞(2n)!z2n の収束半径と f(πi) を求めよ。ただし 0!=1 とする。
問題2
複素数パラメータ ξ に対し
f(z)=coshπze−2πizξ,coshz=2ez+e−z
とおく。ξ=ni/2 (n∈Z) として、∫−∞∞f(x)dx を ξ の関数として求めたい。R>0 に対し CR は、頂点 −R,R,R+2i,−R+2i をこの順に通る反時計回りの長方形であり、各辺を順に C1,C2,C3,C4 とする。

(1) 複素数 α に対し z→αlimeπz−eπαz−α を求めよ。
(2) CR の内部にある f のすべての極の位数と留数を求めよ。
(3) IR=∫C1f(z)dz とおく。∫C3f(z)dz を IR で表せ。
(4) ∫−∞∞f(x)dx を求めよ。C2,C4 上の積分は R→∞ で 0 となることを導出なしに用いてよい。
题目描述
i 为虚数单位,e 为自然对数的底,π 为圆周率,Z 为整数集,Rez,Imz 分别为实部与虚部。
问题 1:(1)定义 tanhz=(ez−e−z)/(ez+e−z),求 tanhz=−3 的全部解。
(2)令 x=Rez,y=Imz。判断是否存在实常数 a,使 fa(z)=x2+ay2 在复平面的某个区域内全纯;若存在,给出 a 与该区域,否则证明不存在。
(3)求 f(z)=∑n=0∞z2n/(2n)! 的收敛半径与 f(πi),其中 0!=1。
问题 2:对复参数 ξ=ni/2(n∈Z),令
f(z)=e−2πizξ/cosh(πz),coshz=(ez+e−z)/2.
拟求 ∫−∞∞f(x)dx 关于 ξ 的表达式。R>0,矩形闭合路径 CR 依次经过 −R,R,R+2i,−R+2i,逆时针走一周;四条边依次记作 C1,C2,C3,C4(见上图)。
(1)求 limz→α(z−α)/(eπz−eπα),其中 α 为复数。
(2)求 CR 内全部极点的阶数和留数。
(3)令 IR=∫C1f(z)dz,用 IR 表示 C3 上的积分。
(4)求上述实轴积分;允许直接使用两侧竖边积分在 R→∞ 时趋于 0 的结论。
Kai
問題1
(1) 4e2z=−2 より
z=−2log2+i(2π+kπ),k∈Z.
これらでは e2z+1=1/2=0 なので元の式も満たす。
(2) 実部 u=x2+ay2、虚部 v=0 に Cauchy–Riemann 方程式を適用すると 2x=0,2ay=0 が必要となる。しかし開領域が直線 x=0 に含まれることはない。従ってそのような a は存在しない。
(3) 隣接項の絶対値比は ∣z∣2/((2n+2)(2n+1))→0。従って収束半径は ∞。f(z)=(ez+e−z)/2 より f(πi)=−1。
問題2
(1) 指数関数の微分より e−πα/π。
(2) coshπz=0 は z=i(k+1/2)。内部の二極 i/2,3i/2 は単純極で、
Res(f,i/2)=πieπξ,Res(f,3i/2)=−πie3πξ.
(3) f(x+2i)=e4πξf(x) であり上辺の向きが逆だから、∫C3fdz=−e4πξIR。
(4) 留数定理と両側辺の極限より
(1−e4πξ)I=2(eπξ−e3πξ),I=1+e2πξ2eπξ=coshπξ1.
通常の広義積分としてこの式が成り立つ範囲は ∣Imξ∣<1/2 である。実際、ξ=u+iv とすれば被積分関数の絶対値は e2πvx/coshπx であり、この条件下で両端とも指数的に減衰する。範囲外では広義積分は収束せず、右辺は解析接続としての値となる。