お茶の水女子大学 人間文化創成科学研究科 理学専攻 数学コース 2016年8月実施 問題1
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)
Description
(1)
1 以上の整数 m,n に対して R2 上の関数 fm,n を
fm,n(x,y)=x2+y2xmynif (x,y)=(0,0),fm,n(0,0)=0
で定義する。このとき、fm,n の原点 (0,0) における連続性、(全ての方向への)方向微分可能性、全微分可能性を調べよ。
(2)
α を実数とする。R2 の部分集合
A={(x,y)∈R2∣x2+y2≥1, ∣x∣≤1, y>0}
上の広義積分
∫Ayαdxdy
が収束する α の範囲を調べ、その範囲に含まれる全ての整数について広義積分の値を求めよ。
题目描述
-
对正整数 m,n,考察
fm,n(x,y)=⎩⎨⎧x2+y2xmyn,0,(x,y)=(0,0),(x,y)=(0,0)
在原点的连续性、所有方向的方向可微性以及全微分性。
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对集合
A={(x,y)∈R2∣x2+y2≥1,∣x∣≤1,y>0},
求广义积分 ∫Ay−αdxdy 收敛的 α 范围,并计算该范围内所有整数 α 对应的积分值。
Kai
(1)
r=x2+y2 とおく。(x,y)=(0,0) では
∣fm,n(x,y)∣≤r2rm+n=rm+n−2.
したがって m+n>2 なら原点で連続である。一方、m+n=2 の場合は m=n=1 であり、x=y=t とすると f1,1(t,t)=1/2 だから連続でない。よって
原点で連続⟺m+n≥3.
方向 v=(a,b)=(0,0) に対して
tfm,n(ta,tb)−fm,n(0,0)=tm+n−3a2+b2ambn.
したがって、m+n=3 では極限が ambn/(a2+b2)、m+n≥4 では 0 となる。m+n=2 では例えば v=(1,1) に対して極限が存在しない。ゆえに
全ての方向に方向微分可能⟺m+n≥3.
また、座標軸上では関数値が常に 0 なので、全微分可能ならその微分は零写像である。m+n≥4 のとき
x2+y2∣fm,n(x,y)∣≤rm+n−3⟶0,
よって全微分可能である。m+n=3 のときは x=y=t とすれば
2t2∣fm,n(t,t)∣=221
となり、全微分可能でない。以上より
原点で全微分可能⟺m+n≥4.
(2)
y を固定して A の水平方向の幅を求めると、0<y<1 では 2(1−1−y2)、y≥1 では 2 である。したがって
Iα=2∫01yα1−1−y2dy+2∫1∞y−αdy.
y→0 で
1−1−y2=1+1−y2y2∼2y2
だから、第 1 項は α<3 のときに限り収束する。第 2 項は α>1 のときに限り収束する。よって
1<α<3.
この範囲の整数は α=2 のみである。y=sinθ とおけば
I2=2∫01y21−1−y2dy+2=2∫0π/21+cosθcosθdθ+2=2(2π−1)+2=π.