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京都大学 理学研究科 数学・数理解析専攻 2023年8月実施 基礎科目 [1] ~ [4]

Author

Miyake

Description

大学公表の原題

[1](問題要約)

D={(x,y)R2:x0, y0, (x2+y2)2x2+2y2}D=\{(x,y)\in\mathbb R^2:x\ge0,\ y\ge0,\ (x^2+y^2)^2\le x^2+2y^2\}

上の積分 Dxye1x2y2dxdy\iint_Dxy e^{1-x^2-y^2}\,dx\,dy を求める。

[2]

aa を複素数とし、複素 33 次正方行列 AA

A=(a1001a12a2aa+1)A= \begin{pmatrix} a-1 & 0 & 0 \\ 1 & -a & 1 \\ 2a & -2a & a+1 \end{pmatrix}

と定める。行列 AA の固有値を全て求めよ。また、AA の階数を求めよ。

[3]

n,mn,mn2mn \ge 2m を満たす正の整数とする。VV を有限次元複素ベクトル空間とする。 f:VVf: V\rightarrow Vfn=fmf^n = f^m を満たす線形写像とする。このとき、

V=Ker(fm)Im(fm)V = \text{Ker}(f^m) \oplus \text{Im} (f^m)

を示せ。ここで、Ker(fm)\text{Ker}(f^m)fmf^m の核であり、Im(fm)\text{Im}(f^m)fmf^m の像である。

[4](問題要約)

r>0r>0 に対して ρr(x)=sin(rer2x2)\rho_r(x)=\sin\bigl(r e^{-r^2x^2}\bigr) とする。f:RRf:\mathbb R\to\mathbb R は有界連続関数とする。

  1. r>0r>0 で広義積分 f(x)ρr(x)dx\int_{-\infty}^{\infty}f(x)\rho_r(x)\,dx が収束することを示す。
  2. rr\to\infty でこの積分が 00 に収束することを示す。
  3. さらに ff が原点で微分可能で f(0)=0f(0)=0 なら、rf(x)ρr(x)dx0r\int_{-\infty}^{\infty}f(x)\rho_r(x)\,dx\to0 を示す。

题目描述

  1. aa 为复数,定义三阶复方阵

    A=(a1001a12a2aa+1).A= \begin{pmatrix} a-1&0&0\\ 1&-a&1\\ 2a&-2a&a+1 \end{pmatrix}.

    求矩阵 AA 的全部特征值,并求 AA 的秩。

  2. n,mn,m 为满足 n2mn\geq2m 的正整数,VV 为有限维复向量空间,线性映射 f:VVf:V\to V 满足

    fn=fm.f^n=f^m.

    证明

    V=ker(fm)Im(fm),V=\ker(f^m)\oplus\operatorname{Im}(f^m),

    其中 ker(fm)\ker(f^m)Im(fm)\operatorname{Im}(f^m) 分别是 fmf^m 的核与像。

Kai

[1]

極座標 x=rcosθ, y=rsinθx=r\cos\theta,\ y=r\sin\theta を使うと、0θπ/20\le\theta\le\pi/20r21+sin2θ0\le r^2\le1+\sin^2\theta である。u=sin2θ, v=r2u=\sin^2\theta,\ v=r^2 と変数変換すれば、

Dxye1x2y2dxdy=140101+uve1vdvdu=1401(e(2+u)eu)du=14(e3+4e).\begin{aligned} \iint_Dxy e^{1-x^2-y^2}\,dx\,dy &=\frac14\int_0^1\int_0^{1+u}v e^{1-v}\,dv\,du\\ &=\frac14\int_0^1\bigl(e-(2+u)e^{-u}\bigr)\,du\\ &=\frac14\left(e-3+\frac4e\right). \end{aligned}

[2]

(i) AA の固有値を λ\lambda とすると、

0=a1λ001aλ12a2aa+1λ=(a1λ)aλ12aa+1λ=(λa+1)(λ2λa(a1))=(λa+1)(λa)(λ+a1)  λ=a1,a,a+1\begin{aligned} 0 &= \begin{vmatrix} a-1-\lambda & 0 & 0 \\ 1 & -a-\lambda & 1 \\ 2a & -2a & a+1-\lambda \end{vmatrix} \\ &= (a-1-\lambda) \begin{vmatrix} -a-\lambda & 1 \\ -2a & a+1-\lambda \end{vmatrix} \\ &= -(\lambda-a+1)(\lambda^2 - \lambda - a(a-1)) \\ &= -(\lambda-a+1)(\lambda - a)(\lambda + a - 1) \\ \therefore \ \ \lambda &= a-1, a, -a+1 \end{aligned}

である。

(ii) AA を列基本変形すると、次のようにできる:

(a100010a1a+1a(a1)).\begin{aligned} \begin{pmatrix} a-1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ a-1 & a+1 & a(a-1) \end{pmatrix} . \end{aligned}

これを構成する3つの列ベクトルの1次独立性に注目すると、AA のランクは、a=1a=1 のときは 11 , a=0a=0 のときは 22 , その他のときは 33であることがわかる。

[3]

(i)

vVv \in V に対して

w=fnm(v),u=vw\begin{aligned} w &= f^{n-m}(v) ,\\ u &= v - w \end{aligned}

とおく。 n2mn \geq 2m なので、

w=fm(fn2m(v))\begin{aligned} w &= f^m \left( f^{n-2m} (v) \right) \end{aligned}

と書け、 fn2m(v)Vf^{n-2m}(v) \in V なので wIm(fm)w \in \mathrm{Im}(f^m) である。 また、

fm(u)=fm(v)fn(v)=0\begin{aligned} f^m(u) &= f^m(v) - f^n(v) \\ &= 0 \end{aligned}

なので、 uKer(fm)u \in \mathrm{Ker}(f^m) である。 したがって、任意の vVv \in V に対して

v=u+w\begin{aligned} v = u + w \end{aligned}

であるような uKer(fm), wIm(fm)u \in \mathrm{Ker}(f^m), \ w \in \mathrm{Im}(f^m) が存在するので、

VKer(fm)+Im(fm)    (={u+wuKer(fm),wIm(fm)})\begin{aligned} V \subset \mathrm{Ker}(f^m) + \mathrm{Im}(f^m) \ \ \ \ \left( = \left\{ u+w \mid u \in \mathrm{Ker}(f^m), w \in \mathrm{Im}(f^m) \right\} \right) \end{aligned}

がわかる。

(ii)

Ker(fm)V, Im(fm)V\mathrm{Ker}(f^m) \subset V, \ \mathrm{Im}(f^m) \subset V から

Ker(fm)+Im(fm)V\begin{aligned} \mathrm{Ker}(f^m) + \mathrm{Im}(f^m) \subset V \end{aligned}

がわかる。

(iii)

vVv \in VvKer(fm)v \in \mathrm{Ker}(f^m) かつ vIm(fm)v \in \mathrm{Im}(f^m) を満たすとすると、 vIm(fm)v \in \mathrm{Im}(f^m) より

v=fm(v0)\begin{aligned} v = f^m(v_0) \end{aligned}

を満たす v0Vv_0 \in V が存在し、

v=fm(v0)=fn(v0)        (fn=fm)=fn2m(fm(v))=fn2m(0)        (vKer(fm))=0\begin{aligned} v &= f^m(v_0) \\ &= f^n(v_0) \ \ \ \ \ \ \ \ ( \because f^n = f^m ) \\ &= f^{n-2m} \left( f^m (v) \right) \\ &= f^{n-2m} (0) \ \ \ \ \ \ \ \ ( \because v \in \mathrm{Ker}(f^m) ) \\ &= 0 \end{aligned}

を得る。 つまり、

Ker(fm)Im(fm)={0}\begin{aligned} \mathrm{Ker}(f^m) \cap \mathrm{Im}(f^m) = \left\{ 0 \right\} \end{aligned}

である。

(iv)

(i), (ii) より、

V=Ker(fm)+Im(fm)\begin{aligned} V = \mathrm{Ker}(f^m) + \mathrm{Im}(f^m) \end{aligned}

がわかり、さらに (iii) より、

V=Ker(fm)Im(fm)\begin{aligned} V = \mathrm{Ker}(f^m) \oplus \mathrm{Im}(f^m) \end{aligned}

がわかる。

[4]

M=supxRf(x)<M=\sup_{x\in\mathbb R}|f(x)|<\infty と置く。以下では

ρr(x)min{1,rer2x2}|\rho_r(x)|\le\min\{1,r e^{-r^2x^2}\}

を用いる。

(1)

Rf(x)ρr(x)dxMrRer2x2dx=Mπ<.\int_{\mathbb R}|f(x)\rho_r(x)|\,dx \le Mr\int_{\mathbb R}e^{-r^2x^2}\,dx=M\sqrt\pi<\infty.

したがって絶対収束する。

(2)

δ>0\delta>0 に対して積分を xδ|x|\le\deltax>δ|x|>\delta に分ける。前者の絶対値は 2Mδ2M\delta 以下である。後者は、u=rxu=rx と変換すると

Mrx>δer2x2dx=2Mrδeu2du0.Mr\int_{|x|>\delta}e^{-r^2x^2}\,dx =2M\int_{r\delta}^{\infty}e^{-u^2}\,du\longrightarrow0.

よって積分の絶対値の上極限は 2Mδ2M\delta 以下であり、δ0\delta\downarrow0 とすれば結論を得る。

(3)

f(0)=0f(0)=0 と原点での微分可能性により、ある C,δ>0C,\delta>0 について f(x)Cx|f(x)|\le C|x|xδ|x|\le\delta)である。 十分大きな rr に対して εr=r3/4<δ\varepsilon_r=r^{-3/4}<\delta と置く。原点付近は

rxεrf(x)ρr(x)dxCrεrεrxdx=Cr1/20.r\int_{|x|\le\varepsilon_r}|f(x)\rho_r(x)|\,dx \le Cr\int_{-\varepsilon_r}^{\varepsilon_r}|x|\,dx =Cr^{-1/2}\longrightarrow0.

また aeu2duea2/(2a)\int_a^\infty e^{-u^2}\,du\le e^{-a^2}/(2a)a>0a>0)を使うと、残りの部分は

rx>εrf(x)ρr(x)dx2Mrrεreu2duMr3/4er0.\begin{aligned} r\int_{|x|>\varepsilon_r}|f(x)\rho_r(x)|\,dx &\le2Mr\int_{r\varepsilon_r}^{\infty}e^{-u^2}\,du\\ &\le Mr^{3/4}e^{-\sqrt r}\longrightarrow0. \end{aligned}

したがって、rr を掛けた積分も 00 に収束する。