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) を、
J(x)=n=0∑∞(n!)2(−1)n(2x)2n
と定義する。次の問に答えよ。
(1) J(x) を定義する級数が任意の実数 x で収束することを示せ。
(2) dx2d2J(x)+x1dxdJ(x)+J(x)=0 を示せ。
(II) xy 平面で定義された2変数関数
f(x,y)=x2+y2+1x2−y2
を考える。次の問に答えよ。
(1) 変数変換
{u=x+yv=x−y
のヤコビ行列式
∂x∂u∂y∂v−∂y∂u∂x∂v
を求めよ。
(2) 正の定数 a に対して、定積分
∫01wlog(w2+a)dw
を計算せよ。
(3) xy 平面の領域
D={(x,y)∈R2∣0≤x+y≤1,0≤x−y≤1}
における重積分
∬Df(x,y)dxdy
を計算せよ。
题目描述
I. 定义函数
J(x)=n=0∑∞(n!)2(−1)n(2x)2n.
回答下列问题。
(1) 证明定义 J(x) 的级数对任意实数 x 都收敛。
(2) 证明
dx2d2J(x)+x1dxdJ(x)+J(x)=0.
II. 考虑定义在 xy 平面上的二元函数
f(x,y)=x2+y2+1x2−y2.
回答下列问题。
(1) 求变量变换
{u=x+y,v=x−y
的 Jacobian 行列式
∂x∂u∂y∂v−∂y∂u∂x∂v.
(2) 对正数 a,计算定积分
∫01wlog(w2+a)dw.
(3) 定义 xy 平面上的区域
D={(x,y)∈R20≤x+y≤1,0≤x−y≤1}.
计算二重积分
∬Df(x,y)dxdy.
Kai
(I)(1)
If x=0 , the series has only its first nonzero term and therefore converges. Let x=0 and an=(n!)2(−1)n(2x)2n . Then
anan+1=(n!)21(2∣x∣)2n((n+1)!)21(2∣x∣)2(n+1)=((n+1)!)2(n!)2(2∣x∣)2=(n+1)21(2∣x∣)2
Thus, limn→∞anan+1=limn→∞(n+1)21(2∣x∣)2=0<1 for every fixed x=0 .
By the ratio test, the series converges for all x∈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 x=0 として、 J(x)=∑n=0∞(n!)2(−1)n(2x)2n の一階和二階導数を計算する。
求导得:
dxdJ(x)=n=1∑∞(n!)2(−1)n⋅2n(2x)2n−1⋅21=n=1∑∞(n!)2(−1)nn(2x)2n−1
dx2d2J(x)=n=1∑∞(n!)2(−1)nn(2n−1)(2x)2n−2⋅21
将导数代入方程左边的前两项 dx2d2J+x1dxdJ 中:
dx2d2J+x1dxdJ注意到 x1(2x)2n−1=n=1∑∞(n!)2(−1)n2n(2n−1)(2x)2n−2+x1n=1∑∞(n!)2(−1)nn(2x)2n−1=2(x/2)1(2x)2n−1=21(2x)2n−2,代入后合并同类项:=n=1∑∞(n!)2(−1)n[2n(2n−1)+2n](2x)2n−2=n=1∑∞(n!)2(−1)n[22n2−n+n](2x)2n−2=n=1∑∞(n!)2(−1)nn2(2x)2n−2
利用 (n!)2n2=n2((n−1)!)2n2=((n−1)!)21 化简系数:
=n=1∑∞((n−1)!)2(−1)n(2x)2n−2
令 k=n−1 ,则当 n 从 1 开始时, k 从 0 开始。同时注意 (−1)n=(−1)k+1=−(−1)k :
=k=0∑∞(k!)2−(−1)k(2x)2k=−k=0∑∞(k!)2(−1)k(2x)2k=−J(x)
因此,原方程得证:
dx2d2J+x1dxdJ+J(x)=−J(x)+J(x)=0
これは x=0 で成立する。問題の式は x=0 では 1/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)=0
は x=0 を含むすべての実数で成立する。また J′(x)/x は x→0 で −1/2 に収束するので、元の左辺も連続的に 0 へ延長できる。
(II)(1)
∂x∂u=1,∂y∂u=1
∂x∂v=1,∂y∂v=−1
Therefore, the Jacobian determinant is
∂x∂u∂y∂v−∂y∂u∂x∂v=(1)(−1)−(1)(1)=−1−1=−2
(2) 计算定积分 ∫01wlog(w2+a)dw 。
解:
令 t=w2+a 。
对两边微分得 dt=2wdw ,即 wdw=21dt 。
接下来进行积分限的变换:
- 当 w=0 时, t=02+a=a 。
- 当 w=1 时, t=12+a=1+a 。
代入原积分进行计算:
∫01wlog(w2+a)dw=∫a1+alogt⋅21dt=21∫a1+alogtdt
利用对数函数的积分公式 ∫logxdx=xlogx−x+C ,得:
=21[tlogt−t]a1+a=21([(1+a)log(1+a)−(1+a)]−[aloga−a])=21((1+a)log(1+a)−1−a−aloga+a)=21((1+a)log(1+a)−aloga−1)
结果:
21[(1+a)log(1+a)−aloga−1]
(3) 计算重积分 ∬Df(x,y)dxdy ,其中
D={(x,y)∈R2∣0≤x+y≤1, 0≤x−y≤1},f(x,y)=x2+y2+1x2−y2.
解:
第一步:变量代换
令
u=x+y,v=x−y.
则积分区域条件
0≤x+y≤1,0≤x−y≤1
变为
0≤u≤1,0≤v≤1,
故新区域为
D′={(u,v)∣0≤u≤1, 0≤v≤1}.
由 u,v 解得
x=2u+v,y=2u−v.
雅可比行列式:
J=det∂(u,v)∂(x,y)=det(212121−21)=−21.
因此
dxdy=∣J∣dudv=21dudv.
第二步:被积函数在 (u,v) 坐标中的表达
计算
x2=4(u+v)2,y2=4(u−v)2.
分子:
x2−y2=4(u+v)2−(u−v)2=44uv=uv.
分母:
x2+y2=4(u+v)2+(u−v)2=2u2+v2,
x2+y2+1=2u2+v2+1=2u2+v2+2.
于是
f(x,y)=x2+y2+1x2−y2=2u2+v2+2uv=u2+v2+22uv.
连同 dxdy=21dudv ,有
f(x,y)dxdy=u2+v2+22uv⋅21dudv=u2+v2+2uvdudv.
故原积分变为
I=∬Df(x,y)dxdy=∫01∫01u2+v2+2uvdudv.
第三步:计算 u 方向的积分
对 u 积分(视 v 为常数):
∫01u2+v2+2uvdu=v∫01u2+(v2+2)udu.
令
t=u2+v2+2,dt=2udu ⇒ udu=21dt,
当 u=0 时 t=v2+2 ,当 u=1 时 t=v2+3 ,于是
v∫01u2+v2+2udu=2v∫v2+2v2+3t1dt=2v[logt]v2+2v2+3=2v(log(v2+3)−log(v2+2)).
因此
I=21∫01v(log(v2+3)−log(v2+2))dv.
第四步:引入通用积分并求值
记
K(α)=∫01vlog(v2+α)dv(α>0).
同样令 t=v2+α, dt=2vdv⇒vdv=21dt ,得到
K(α)=21∫αα+1logtdt=21[tlogt−t]αα+1=21((α+1)log(α+1)−αlogα−1).
则
I=21(K(3)−K(2)).
计算
K(3)=21(4log4−3log3−1),K(2)=21(3log3−2log2−1).
故
I=21[21(4log4−3log3−1)−21(3log3−2log2−1)]=41(4log4+2log2−6log3).
注意 log4=2log2 ,于是
4log4+2log2=8log2+2log2=10log2,
从而
I=41(10log2−6log3)=21(5log2−3log3).
也可以写成
5log2−3log3=log25−log33=log2732,
所以
I=21log2732=21(5log2−3log3).