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明治大学 先端数理科学研究科 現象数理学専攻 2023年8月実施 微积分

Author

思齐塾, 祭音Myyura

Description

(I) 関数 J(x)J(x) を、

J(x)=n=0(1)n(n!)2(x2)2nJ(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} \left(\frac{x}{2}\right)^{2n}

と定義する。次の問に答えよ。

(1) J(x)J(x) を定義する級数が任意の実数 xx で収束することを示せ。

(2) d2dx2J(x)+1xddxJ(x)+J(x)=0\frac{d^2}{dx^2}J(x) + \frac{1}{x} \frac{d}{dx}J(x) + J(x) = 0 を示せ。

(II) xyxy 平面で定義された2変数関数

f(x,y)=x2y2x2+y2+1f(x,y) = \frac{x^2 - y^2}{x^2 + y^2 + 1}

を考える。次の問に答えよ。

(1) 変数変換

{u=x+yv=xy\begin{cases} u = x + y \\ v = x - y \end{cases}

のヤコビ行列式

uxvyuyvx\frac{\partial u}{\partial x} \frac{\partial v}{\partial y} - \frac{\partial u}{\partial y} \frac{\partial v}{\partial x}

を求めよ。

(2) 正の定数 aa に対して、定積分

01wlog(w2+a)dw\int_{0}^{1} w \log(w^2 + a) dw

を計算せよ。

(3) xyxy 平面の領域

D={(x,y)R20x+y1,0xy1}D = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2 | 0 \leq x + y \leq 1, 0 \leq x - y \leq 1\}

における重積分

Df(x,y)dxdy\iint_D f(x, y) dx dy

を計算せよ。

题目描述

I. 定义函数

J(x)=n=0(1)n(n!)2(x2)2n.J(x)=\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} \left(\frac{x}{2}\right)^{2n}.

回答下列问题。

(1) 证明定义 J(x)J(x) 的级数对任意实数 xx 都收敛。

(2) 证明

d2dx2J(x)+1xddxJ(x)+J(x)=0.\frac{d^2}{dx^2}J(x) +\frac1x\frac{d}{dx}J(x) +J(x)=0.

II. 考虑定义在 xyxy 平面上的二元函数

f(x,y)=x2y2x2+y2+1.f(x,y)=\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2+1}.

回答下列问题。

(1) 求变量变换

{u=x+y,v=xy\begin{cases} u=x+y,\\ v=x-y \end{cases}

的 Jacobian 行列式

uxvyuyvx.\frac{\partial u}{\partial x}\frac{\partial v}{\partial y} -\frac{\partial u}{\partial y}\frac{\partial v}{\partial x}.

(2) 对正数 aa,计算定积分

01wlog(w2+a)dw.\int_0^1 w\log(w^2+a)\,dw.

(3) 定义 xyxy 平面上的区域

D={(x,y)R2|0x+y1,  0xy1}.D=\left\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\,\middle|\, 0\leq x+y\leq1,\; 0\leq x-y\leq1 \right\}.

计算二重积分

Df(x,y)dxdy.\iint_D f(x,y)\,dx\,dy.

Kai

(I)(1) If x=0x=0 , the series has only its first nonzero term and therefore converges. Let x0x\ne0 and an=(1)n(n!)2(x2)2na_n = \frac{(-1)^n}{(n!)^2} \left(\frac{x}{2}\right)^{2n} . Then

an+1an=1((n+1)!)2(x2)2(n+1)1(n!)2(x2)2n=(n!)2((n+1)!)2(x2)2=1(n+1)2(x2)2\left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \frac{\frac{1}{((n+1)!)^2} \left(\frac{|x|}{2}\right)^{2(n+1)}}{\frac{1}{(n!)^2} \left(\frac{|x|}{2}\right)^{2n}} = \frac{(n!)^2}{((n+1)!)^2} \left(\frac{|x|}{2}\right)^2 = \frac{1}{(n+1)^2} \left(\frac{|x|}{2}\right)^2

Thus, limnan+1an=limn1(n+1)2(x2)2=0<1\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{(n+1)^2} \left(\frac{|x|}{2}\right)^2 = 0 < 1 for every fixed x0x\ne0 . By the ratio test, the series converges for all xRx \in \mathbb{R} .

(2) 上で求めた収束半径は無限大なので、べき級数は項別に何度でも微分できる。まず x0x\ne0 として、 J(x)=n=0(1)n(n!)2(x2)2nJ(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} \left(\frac{x}{2}\right)^{2n} の一階和二階導数を計算する。

求导得:

ddxJ(x)=n=1(1)n(n!)22n(x2)2n112=n=1(1)n(n!)2n(x2)2n1\frac{d}{dx} J(x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} \cdot 2n \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-1} \cdot \frac{1}{2} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} n \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-1}
d2dx2J(x)=n=1(1)n(n!)2n(2n1)(x2)2n212\frac{d^2}{dx^2} J(x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} n (2n-1) \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-2} \cdot \frac{1}{2}

将导数代入方程左边的前两项 d2Jdx2+1xdJdx\frac{d^2 J}{dx^2} + \frac{1}{x} \frac{dJ}{dx} 中:

d2Jdx2+1xdJdx=n=1(1)n(n!)2n(2n1)2(x2)2n2+1xn=1(1)n(n!)2n(x2)2n1注意到 1x(x2)2n1=12(x/2)(x2)2n1=12(x2)2n2,代入后合并同类项:=n=1(1)n(n!)2[n(2n1)2+n2](x2)2n2=n=1(1)n(n!)2[2n2n+n2](x2)2n2=n=1(1)n(n!)2n2(x2)2n2\begin{aligned} \frac{d^2 J}{dx^2} + \frac{1}{x} \frac{dJ}{dx} &= \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} \frac{n(2n-1)}{2} \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-2} + \frac{1}{x} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} n \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-1} \\ \text{注意到 } \frac{1}{x} \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-1} &= \frac{1}{2(x/2)} \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-1} = \frac{1}{2} \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-2},\text{代入后合并同类项:}\\ &= \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} \left[ \frac{n(2n-1)}{2} + \frac{n}{2} \right] \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-2} \\ &= \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} \left[ \frac{2n^2 - n + n}{2} \right] \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-2} \\ &= \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(n!)^2} n^2 \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-2} \end{aligned}

利用 n2(n!)2=n2n2((n1)!)2=1((n1)!)2\frac{n^2}{(n!)^2} = \frac{n^2}{n^2((n-1)!)^2} = \frac{1}{((n-1)!)^2} 化简系数:

=n=1(1)n((n1)!)2(x2)2n2= \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{((n-1)!)^2} \left(\frac{x}{2}\right)^{2n-2}

k=n1k = n - 1 ,则当 nn11 开始时, kk00 开始。同时注意 (1)n=(1)k+1=(1)k(-1)^n = (-1)^{k+1} = -(-1)^k

=k=0(1)k(k!)2(x2)2k=k=0(1)k(k!)2(x2)2k=J(x)= \sum_{k=0}^{\infty} \frac{-(-1)^{k}}{(k!)^2} \left(\frac{x}{2}\right)^{2k} = - \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^{k}}{(k!)^2} \left(\frac{x}{2}\right)^{2k} = -J(x)

因此,原方程得证:

d2Jdx2+1xdJdx+J(x)=J(x)+J(x)=0\frac{d^2 J}{dx^2} + \frac{1}{x} \frac{dJ}{dx} + J(x) = -J(x) + J(x) = 0

これは x0x\ne0 で成立する。問題の式は x=0x=0 では 1/x1/x のためそのままでは定義されないが、同値な正則形

x2J(x)+xJ(x)+x2J(x)=0x^2J''(x)+xJ'(x)+x^2J(x)=0

x=0x=0 を含むすべての実数で成立する。また J(x)/xJ'(x)/xx0x\to01/2-1/2 に収束するので、元の左辺も連続的に 00 へ延長できる。

(II)(1)

ux=1,uy=1\frac{\partial u}{\partial x} = 1, \quad \frac{\partial u}{\partial y} = 1
vx=1,vy=1\frac{\partial v}{\partial x} = 1, \quad \frac{\partial v}{\partial y} = -1

Therefore, the Jacobian determinant is

uxvyuyvx=(1)(1)(1)(1)=11=2\frac{\partial u}{\partial x} \frac{\partial v}{\partial y} - \frac{\partial u}{\partial y} \frac{\partial v}{\partial x} = (1)(-1) - (1)(1) = -1 - 1 = -2

(2) 计算定积分 01wlog(w2+a)dw\int_0^1 w \log(w^2 + a) \, dw

解: 令 t=w2+at = w^2 + a 。 对两边微分得 dt=2wdwdt = 2w \, dw ,即 wdw=12dtw \, dw = \frac{1}{2} dt

接下来进行积分限的变换:

  • w=0w = 0 时, t=02+a=at = 0^2 + a = a
  • w=1w = 1 时, t=12+a=1+at = 1^2 + a = 1 + a

代入原积分进行计算:

01wlog(w2+a)dw=a1+alogt12dt=12a1+alogtdt\begin{aligned} \int_0^1 w \log(w^2 + a) \, dw &= \int_a^{1+a} \log t \cdot \frac{1}{2} \, dt \\ &= \frac{1}{2} \int_a^{1+a} \log t \, dt \end{aligned}

利用对数函数的积分公式 logxdx=xlogxx+C\int \log x \, dx = x \log x - x + C ,得:

=12[tlogtt]a1+a=12([(1+a)log(1+a)(1+a)][alogaa])=12((1+a)log(1+a)1aaloga+a)=12((1+a)log(1+a)aloga1)\begin{aligned} &= \frac{1}{2} \left[ t \log t - t \right]_a^{1+a} \\ &= \frac{1}{2} \left( \Big[ (1+a)\log(1+a) - (1+a) \Big] - \Big[ a \log a - a \Big] \right) \\ &= \frac{1}{2} \left( (1+a)\log(1+a) - 1 - a - a \log a + a \right) \\ &= \frac{1}{2} \left( (1+a)\log(1+a) - a \log a - 1 \right) \end{aligned}

结果:

12[(1+a)log(1+a)aloga1]\frac{1}{2} \left[ (1+a)\log(1+a) - a \log a - 1 \right]

(3) 计算重积分 Df(x,y)dxdy\displaystyle \iint_D f(x, y)\,dxdy ,其中

D={(x,y)R20x+y1, 0xy1},f(x,y)=x2y2x2+y2+1.D = \{(x,y)\in\mathbb{R}^2 \mid 0 \le x+y \le 1,\ 0 \le x-y \le 1\}, \qquad f(x,y) = \frac{x^2 - y^2}{x^2 + y^2 + 1}.

解:

第一步:变量代换

u=x+y,v=xy.u = x+y,\qquad v = x-y.

则积分区域条件

0x+y1,0xy10\le x+y\le1,\quad 0\le x-y\le1

变为

0u1,0v1,0\le u\le1,\quad 0\le v\le1,

故新区域为

D={(u,v)0u1, 0v1}.D' = \{(u,v)\mid 0\le u\le1,\ 0\le v\le1\}.

u,vu,v 解得

x=u+v2,y=uv2.x = \frac{u+v}{2},\qquad y = \frac{u-v}{2}.

雅可比行列式:

J=det(x,y)(u,v)=det(12121212)=12.J = \det\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \det \begin{pmatrix} \frac12 & \frac12\\[2pt] \frac12 & -\frac12 \end{pmatrix} = -\frac12.

因此

dxdy=Jdudv=12dudv.dx\,dy = |J|\,du\,dv = \frac12\,du\,dv.

第二步:被积函数在 (u,v)(u,v) 坐标中的表达

计算

x2=(u+v)24,y2=(uv)24.x^2 = \frac{(u+v)^2}{4},\qquad y^2 = \frac{(u-v)^2}{4}.

分子:

x2y2=(u+v)2(uv)24=4uv4=uv.x^2 - y^2 = \frac{(u+v)^2 - (u-v)^2}{4} = \frac{4uv}{4} = uv.

分母:

x2+y2=(u+v)2+(uv)24=u2+v22,x^2 + y^2 = \frac{(u+v)^2 + (u-v)^2}{4} = \frac{u^2+v^2}{2},
x2+y2+1=u2+v22+1=u2+v2+22.x^2 + y^2 + 1 = \frac{u^2+v^2}{2} + 1 = \frac{u^2+v^2+2}{2}.

于是

f(x,y)=x2y2x2+y2+1=uvu2+v2+22=2uvu2+v2+2.f(x,y) = \frac{x^2-y^2}{x^2+y^2+1} = \frac{uv}{\dfrac{u^2+v^2+2}{2}} = \frac{2uv}{u^2+v^2+2}.

连同 dxdy=12dudvdx\,dy = \frac12 du\,dv ,有

f(x,y)dxdy=2uvu2+v2+212dudv=uvu2+v2+2dudv.f(x,y)\,dx\,dy = \frac{2uv}{u^2+v^2+2}\cdot\frac12\,du\,dv = \frac{uv}{u^2+v^2+2}\,du\,dv.

故原积分变为

I=Df(x,y)dxdy=0101uvu2+v2+2dudv.I = \iint_D f(x,y)\,dx\,dy = \int_0^1\int_0^1 \frac{uv}{u^2+v^2+2}\,du\,dv.

第三步:计算 uu 方向的积分

uu 积分(视 vv 为常数):

01uvu2+v2+2du=v01uu2+(v2+2)du.\int_0^1 \frac{uv}{u^2+v^2+2}\,du = v\int_0^1 \frac{u}{u^2+(v^2+2)}\,du.

t=u2+v2+2,dt=2udu  udu=12dt,t = u^2 + v^2 + 2,\qquad dt = 2u\,du \ \Rightarrow\ u\,du = \frac12\,dt,

u=0u=0t=v2+2t = v^2+2 ,当 u=1u=1t=v2+3t = v^2+3 ,于是

v01uu2+v2+2du=v2v2+2v2+31tdt=v2[logt]v2+2v2+3=v2(log(v2+3)log(v2+2)).v\int_0^1 \frac{u}{u^2+v^2+2}\,du = \frac{v}{2}\int_{v^2+2}^{v^2+3} \frac{1}{t}\,dt = \frac{v}{2}\bigl[\log t\bigr]_{v^2+2}^{v^2+3} = \frac{v}{2}\Bigl(\log(v^2+3)-\log(v^2+2)\Bigr).

因此

I=1201v(log(v2+3)log(v2+2))dv.I = \frac12\int_0^1 v\Bigl(\log(v^2+3)-\log(v^2+2)\Bigr)\,dv.

第四步:引入通用积分并求值

K(α)=01vlog(v2+α)dv(α>0).K(\alpha) = \int_0^1 v\log(v^2+\alpha)\,dv \qquad (\alpha>0).

同样令 t=v2+α, dt=2vdvvdv=12dtt=v^2+\alpha,\ dt=2v\,dv\Rightarrow v\,dv=\frac12 dt ,得到

K(α)=12αα+1logtdt=12[tlogtt]αα+1=12((α+1)log(α+1)αlogα1).K(\alpha) = \frac12\int_{\alpha}^{\alpha+1} \log t\,dt = \frac12\bigl[t\log t - t\bigr]_{\alpha}^{\alpha+1} = \frac12\Bigl((\alpha+1)\log(\alpha+1) - \alpha\log\alpha - 1\Bigr).

I=12(K(3)K(2)).I = \frac12\bigl(K(3)-K(2)\bigr).

计算

K(3)=12(4log43log31),K(2)=12(3log32log21).K(3) = \frac12\Bigl(4\log4 - 3\log3 - 1\Bigr), \qquad K(2) = \frac12\Bigl(3\log3 - 2\log2 - 1\Bigr).

I=12[12(4log43log31)12(3log32log21)]=14(4log4+2log26log3).\begin{aligned} I &= \frac12\left[ \frac12\bigl(4\log4 - 3\log3 - 1\bigr) - \frac12\bigl(3\log3 - 2\log2 - 1\bigr) \right]\\[4pt] &= \frac14\Bigl(4\log4 + 2\log2 - 6\log3\Bigr). \end{aligned}

注意 log4=2log2\log4 = 2\log2 ,于是

4log4+2log2=8log2+2log2=10log2,4\log4 + 2\log2 = 8\log2 + 2\log2 = 10\log2,

从而

I=14(10log26log3)=12(5log23log3).I = \frac14(10\log2 - 6\log3) = \frac12\bigl(5\log2 - 3\log3\bigr).

也可以写成

5log23log3=log25log33=log3227,5\log2 - 3\log3 = \log 2^5 - \log3^3 = \log\frac{32}{27},

所以

I=12log3227=12(5log23log3).\boxed{ I = \frac12\log\frac{32}{27} = \frac12\bigl(5\log2 - 3\log3\bigr). }