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明治大学 先端数理科学研究科 現象数理学専攻 2022年8月実施 微积分

Author​

思齐塾, 祭音Myyura

Description​

x>1x > 1 で定義された関数 f(x)=log⁡(log⁡x)f(x) = \log(\log x) について、次の問に答えよ。 (1) 導関数 f′(x)f'(x) を求めよ。 (2) f′(a)=1af'(a) = \frac{1}{a} を満たす aa の値を求めよ。

II xyxy 平面の領域 DD を

D={(x,y)∈R2∣x>0,y>0,x+y<1}D = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 \mid x > 0, y > 0, x + y < 1\}

で定める。 DD で定義された 2変数関数

f(x,y)=xlog⁡x+ylog⁡y+(1−x−y)log⁡(1−x−y)f(x, y) = x\log x + y \log y + (1 - x - y) \log(1 - x - y)

について、次の問に答えよ。 (1) 偏導関数 ∂f∂x,∂f∂y\frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y} をそれぞれ求めよ。 (2) 関数 f(x,y)f(x, y) の領域 DD における最小値を求めよ。

[III] xyxy 平面の領域

E={(x,y)∈R2∣0≤x≤1,13≤y≤1}E = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 \mid 0 \leq x \leq 1, \frac{1}{\sqrt{3}} \leq y \leq 1 \}

における重積分

∬Ex(x2+y2)2dxdy\iint_E \frac{x}{(x^2 + y^2)^2} dx dy

を計算せよ。

题目描述​

I. 对定义在 x>1x>1 上的函数

f(x)=log⁡(log⁡x),f(x)=\log(\log x),

回答下列问题。

(1) 求导函数 f′(x)f'(x)。

(2) 求满足

f′(a)=1af'(a)=\frac1a

的 aa。

II. 定义 xyxy 平面上的区域

D={(x,y)∈R2 | x>0,  y>0,  x+y<1}.D=\left\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\,\middle|\, x>0,\;y>0,\;x+y<1 \right\}.

对于定义在 DD 上的二元函数

f(x,y)=xlog⁡x+ylog⁡y+(1−x−y)log⁡(1−x−y),f(x,y) =x\log x+y\log y+(1-x-y)\log(1-x-y),

回答下列问题。

(1) 分别求偏导数

∂f∂x,∂f∂y.\frac{\partial f}{\partial x}, \qquad \frac{\partial f}{\partial y}.

(2) 求函数 f(x,y)f(x,y) 在区域 DD 上的最小值。

III. 计算 xyxy 平面区域

E={(x,y)∈R2 | 0≤x≤1,  13≤y≤1}E=\left\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\,\middle|\, 0\leq x\leq1,\; \frac1{\sqrt3}\leq y\leq1 \right\}

上的二重积分

∬Ex(x2+y2)2 dx dy.\iint_E\frac{x}{(x^2+y^2)^2}\,dx\,dy.

Kai​

問1. (1)

f(x)=log⁡(log⁡x)f(x) = \log(\log x)
f′(x)=1log⁡x⋅1x=1xlog⁡xf'(x) = \frac{1}{\log x} \cdot \frac{1}{x} = \frac{1}{x \log x}

(2)

f′(a)=1alog⁡a=1af'(a) = \frac{1}{a \log a} = \frac{1}{a}
alog⁡a=aa \log a = a

log⁡a=1\log a = 1 a=ea = e

II (1)

f(x,y)=xlog⁡x+ylog⁡y+(1−x−y)log⁡(1−x−y)f(x, y) = x\log x + y \log y + (1 - x - y) \log(1 - x - y)
∂f∂x=log⁡x+1−log⁡(1−x−y)−1=log⁡x−log⁡(1−x−y)=log⁡x1−x−y\frac{\partial f}{\partial x} = \log x + 1 - \log(1 - x - y) - 1 = \log x - \log(1 - x - y) = \log \frac{x}{1 - x - y}
∂f∂y=log⁡y+1−log⁡(1−x−y)−1=log⁡y−log⁡(1−x−y)=log⁡y1−x−y\frac{\partial f}{\partial y} = \log y + 1 - \log(1 - x - y) - 1 = \log y - \log(1 - x - y) = \log \frac{y}{1 - x - y}

(2) ∂f∂x=0,∂f∂y=0\frac{\partial f}{\partial x} = 0, \frac{\partial f}{\partial y} = 0 log⁡x1−x−y=0,log⁡y1−x−y=0\log \frac{x}{1 - x - y} = 0, \log \frac{y}{1 - x - y} = 0 x1−x−y=1,y1−x−y=1\frac{x}{1 - x - y} = 1, \frac{y}{1 - x - y} = 1 x=1−x−y,y=1−x−yx = 1 - x - y, y = 1 - x - y x=yx = y x=1−x−xx = 1 - x - x 3x=13x = 1 x=13,y=13x = \frac{1}{3}, y = \frac{1}{3} (13,13)∈D(\frac{1}{3}, \frac{1}{3}) \in D f(13,13)=13log⁡13+13log⁡13+(1−13−13)log⁡(1−13−13)=23log⁡13+13log⁡13=log⁡13=−log⁡3f(\frac{1}{3}, \frac{1}{3}) = \frac{1}{3} \log \frac{1}{3} + \frac{1}{3} \log \frac{1}{3} + (1 - \frac{1}{3} - \frac{1}{3}) \log(1 - \frac{1}{3} - \frac{1}{3}) = \frac{2}{3} \log \frac{1}{3} + \frac{1}{3} \log \frac{1}{3} = \log \frac{1}{3} = -\log 3

この停留点が DD 全体での最小点であることも確認する。 p1=x, p2=y, p3=1−x−yp_1=x,\ p_2=y,\ p_3=1-x-y とおけば、 pi>0p_i>0 かつ ∑ipi=1\sum_i p_i=1 である。関数 tlog⁡tt\log t の凸性と Jensen の不等式より、

13∑i=13(3pi)log⁡(3pi)≥(13∑i=133pi)log⁡(13∑i=133pi)=0.\frac13\sum_{i=1}^3(3p_i)\log(3p_i) \geq \left(\frac13\sum_{i=1}^3 3p_i\right) \log\left(\frac13\sum_{i=1}^3 3p_i\right)=0.

従って

∑i=13pilog⁡pi≥−log⁡3,\sum_{i=1}^3p_i\log p_i\geq-\log3,

等号は p1=p2=p3=1/3p_1=p_2=p_3=1/3 のときに限る。よって最小値は確かに −log⁡3\boxed{-\log3} である。

III

∬Ex(x2+y2)2dxdy=∫131∫01x(x2+y2)2dxdy\iint_E \frac{x}{(x^2 + y^2)^2} dx dy = \int_{\frac{1}{\sqrt{3}}}^1 \int_0^1 \frac{x}{(x^2 + y^2)^2} dx dy

Let u=x2+y2u = x^2 + y^2 , then du=2xdxdu = 2x dx , so xdx=12dux dx = \frac{1}{2}du When x=0x = 0 , u=y2u = y^2 When x=1x = 1 , u=1+y2u = 1 + y^2

∫131∫y21+y212u2dudy=∫131[−12u]y21+y2dy=∫131(−12(1+y2)+12y2)dy\int_{\frac{1}{\sqrt{3}}}^1 \int_{y^2}^{1 + y^2} \frac{1}{2u^2} du dy = \int_{\frac{1}{\sqrt{3}}}^1 [-\frac{1}{2u}]_{y^2}^{1 + y^2} dy = \int_{\frac{1}{\sqrt{3}}}^1 (-\frac{1}{2(1 + y^2)} + \frac{1}{2y^2}) dy
=∫131(12y2−12(1+y2))dy=[−12y−12arctan⁡y]131=[−12−12arctan⁡1]−[−32−12arctan⁡13]=[−12−π8]−[−32−π12]=3−12−π24= \int_{\frac{1}{\sqrt{3}}}^1 (\frac{1}{2y^2} - \frac{1}{2(1 + y^2)}) dy = [-\frac{1}{2y} - \frac{1}{2}\arctan y]_{\frac{1}{\sqrt{3}}}^1 = [-\frac{1}{2} - \frac{1}{2} \arctan 1] - [-\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2} \arctan \frac{1}{\sqrt{3}}] = [-\frac{1}{2} - \frac{\pi}{8}] - [-\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{\pi}{12}] = \frac{\sqrt{3} - 1}{2} - \frac{\pi}{24}

Final Answer = 3−12−π24\frac{\sqrt{3} - 1}{2} - \frac{\pi}{24}