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九州大学 システム情報科学府 情報理工学専攻・電気電子工学専攻 2019年8月実施 解析学・微積分

Author

Yu, 祭音Myyura

Description

微分方程式

関数 y(x)y(x) の微分方程式

(x41)dydx=y2+2x3y3x2(x^4 - 1)\frac{\text{d}y}{\text{d}x} = y^2 + 2x^3y - 3x^2

について以下の問いに答えよ.

(1) 与えられた微分方程式は, yp(x)=ax3y_p(x) = ax^3 の形の特殊解を持つ. yp(x)y_p(x) を求めよ.ただし aa は定数とする.

(2) 特殊解 yp(x)y_p(x) と関数 u(x)u(x) を用いて y=yp+1uy = y_p + \frac{1}{u} とおき,一般解を求めよ.

複素関数論

図に示す zz 平面における x=1,y=1,y=1xx = 1, y = 1, y = 1 − x で囲まれた三角領域 SS を考える.以下の変 換で SS が写像される ww 平面の領域 SS' を図示すると共に、 SS' を囲む境界の方程式を示せ.ただし, z=x+iyw=u+ivz = x + iy,w = u + iv は複素数, x,y,u,vx, y, u, v は実数, i=1i = \sqrt{-1} である.

(1) w=z+(13i)w = z + (1 - \sqrt{3}i)

(2) w=2eπi6z+(13i)w = 2e^{\frac{\pi i}{6}}z + (1 - \sqrt{3}i)

(3) w=z2w = z^2

题目描述

本题分为两部分。

一、微分方程

对函数 y(x)y(x) 的微分方程

(x41)dydx=y2+2x3y3x2(x^4-1)\frac{dy}{dx}=y^2+2x^3y-3x^2

回答下列问题:

  1. 已知该方程有形如

    yp(x)=ax3y_p(x)=ax^3

    的特解,其中 aa 为常数;求 yp(x)y_p(x)

  2. 使用第 1 问所得特解及辅助函数 u(x)u(x),作代换

    y=yp+1u,y=y_p+\frac1u,

    求原方程的通解。

二、复函数论

z=x+iyz=x+iy 平面上,考虑由三条直线

x=1,y=1,y=1xx=1,\qquad y=1,\qquad y=1-x

围成的三角区域 SS。图中的三个顶点为 (1,0)(1,0)(0,1)(0,1)(1,1)(1,1),三条边正是上述直线在这些顶点之间的线段。令 w=u+ivw=u+iv,其中 z,wz,w 为复数,x,y,u,vx,y,u,v 为实数,i=1i=\sqrt{-1}。对以下每个变换,画出 SSww 平面上的像区域 SS',并写出围成 SS' 的每一条边界曲线的方程及相应参数范围:

  1. w=z+(13i)w=z+(1-\sqrt3i)
  2. w=2eπi/6z+(13i)w=2e^{\pi i/6}z+(1-\sqrt3i)
  3. w=z2w=z^2

Kai

微分方程式

(1)

(x41)3ax2=a2x6+2x3ax33x2a=1yp(x)=x3(x^4 - 1)3ax^2 = a^2x^6 + 2x^3ax^3 - 3x^2 \Rightarrow a = 1 \Rightarrow y_p(x) = x^3

(2)

y=x3+1uy = x^3 + \frac{1}{u}
(x41)u+4x3u=1(x^4 - 1)u' + 4x^3u = -1
(x41)0 のとき, u+4x3x41u=11x4(x^4 - 1) \neq 0 \text{ のとき, } u'+ \frac{4x^3}{x^4 - 1}u = \frac{1}{1 - x^4}
P(x)=4x3x41Q(x)=11x4P(x) = \frac{4x^3}{x^4 - 1} \quad Q(x) = \frac{1}{1 - x^4}
u=eP(x)dx(Q(x)eP(x)dxdx+C)=Cxx41u = e^{-\int P(x)\text{d}x}\big(\int Q(x)e^{\int P(x)\text{d}x}\text{d}x + C\big) = \frac{C - x}{x^4 - 1}

x41x^4\ne1 かつ xCx\ne C の区間では

y=x3+x41Cxy = x^3 + \frac{x^4 - 1}{C - x}

を得る。また、特殊解 y=x3y=x^3 も解である。

複素関数論

(1)

w=z+(13i)=(1+x)+(y3)iw = z + (1 - \sqrt{3}i) = (1 + x) + (y - \sqrt{3})i
u=1+xv=y3u = 1 + x \quad v = y - \sqrt{3}
x=1,y=t(0t1) とおくと, u=2,v=t3u=2,3v13x=t(0t1),y=1 とおくと, u=1+t,v=13v=13(1u2)x=t(0t1),y=1t とおくと, u=1+t, v=1t3v=u+23(1u2)\begin{aligned} x = 1,y = t(0 \le t \le 1) &\text{ とおくと, } u = 2,v = t - \sqrt{3} \\ u = 2,\qquad -\sqrt{3} &\le v \le 1 - \sqrt{3} \\ x = t(0 \le t \le 1),y = 1 &\text{ とおくと, }u = 1 + t ,v = 1 - \sqrt{3} \\ v = 1 - \sqrt{3} &(1 \le u \le 2) \\ x = t(0 \le t \le 1),y = 1 - t &\text{ とおくと, }u = 1 + t,\ v = 1 - t - \sqrt{3} \\ v = -u + 2 - &\sqrt{3}\qquad(1 \le u \le 2) \end{aligned}

(2)

w=2eπi6z+(13i)=(3+i)(x+iy)+(13i)=(3xy+1)+(3y+x3)iw = 2e^{\frac{\pi i}{6}}z + (1 - \sqrt{3}i) = (\sqrt{3} + i)(x + iy) + (1 - \sqrt{3}i) = (\sqrt{3}x - y + 1) + (\sqrt{3}y + x -\sqrt{3})i
u=3xy+1v=3y+x3u = \sqrt{3}x - y + 1 \quad v = \sqrt{3}y + x - \sqrt{3}
x=1,y=t(0t1) とおくと, u=3+1t,v=3t+13x = 1,y = t(0 \le t \le 1) \text{ とおくと, }u = \sqrt{3} + 1 - t,v = \sqrt{3}t + 1 - \sqrt{3}
v=43u,(3u1+3)v = 4 - \sqrt{3}u,\qquad(\sqrt{3} \le u \le 1 + \sqrt{3})
x=t(0t1),y=1 とおくと, u=3t,v=tx = t(0 \le t \le 1),y = 1 \text{ とおくと, } u = \sqrt{3}t,v = t
u=3v,(0v1)u = \sqrt{3}v,\qquad(0 \le v \le 1)
x=t(0t1),y=1t とおくと, u=(1+3)t,v=(13)tx = t(0 \le t \le 1),y = 1 - t \text{ とおくと, } u = (1 + \sqrt{3})t,v = (1 - \sqrt{3})t
v=131+3u,(0u1+3)v = \frac{1 - \sqrt{3}}{1 + \sqrt{3}}u,\qquad(0 \le u \le 1 + \sqrt{3})

(3)

w=z2=(x+iy)2=x2y2+i2xyw = z^2 = (x + iy)^2 = x^2 - y^2 + i \cdot 2xy
u=x2y2, v=2xyu = x^2 - y^2, \ v = 2xy
x=1,y=t(0t1) とおくと, u=1t2,v=2tx = 1,y = t(0 \le t \le 1) \text{ とおくと, } u = 1 - t^2,v = 2t
u=1v24,(0v2)u = 1 - \frac{v^2}{4},\qquad(0 \le v \le 2)
x=t(0t1),y=1 とおくと, u=t21,v=2tx = t(0 \le t \le 1),y = 1 \text{ とおくと, } u = t^2 - 1,v = 2t
u=v241,(0v2)u = \frac{v^2}{4} - 1,\qquad(0 \le v \le 2)
x=t(0t1),y=1t とおくと, u=2t1,v=2t2t2x = t(0 \le t \le 1),y = 1 - t \text{ とおくと, } u = 2t - 1,v = 2t - 2t^2
v=12u22,(1u1)v = \frac{1}{2} - \frac{u^2}{2},\qquad(-1 \le u \le 1)