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大阪大学 情報科学研究科 情報基礎数学専攻 2020年8月実施 数学1-3

Author

Miyake

Description

問題の要約(日本語)

大阪大学公式問題(第2頁)(題意の要約)。

  1. 定積分 02πcosθ/(2+cosθ)dθ\int_0^{2\pi}\cos\theta/(2+\cos\theta)\,d\theta を計算する。
  2. 微分方程式 y4y+3y=cosxy''-4y'+3y=\cos x の一般解を求める。
  3. 実数全体で2回微分可能な関数 ff が、すべての xxf(x)0f''(x)\ge0 を満たし、x+x\to+\infty で有限値に収束するとする。このとき f(x)0f'(x)\to0 となることを証明する。

题目描述

大阪大学官方原题(第2页)

  1. 计算积分 02πcosθ2+cosθdθ.\int_0^{2\pi}\frac{\cos\theta}{2+\cos\theta}\,d\theta.
  2. 求微分方程 y4y+3y=cosxy''-4y'+3y=\cos x 的通解。
  3. f:RRf:\mathbb R\to\mathbb R 二阶可微,limx+f(x)\lim_{x\to+\infty}f(x) 存在且有限,并且每个实数 xx 都满足 f(x)0f''(x)\ge0。证明 limx+f(x)=0\lim_{x\to+\infty}f'(x)=0

Kai

1.

02πcosθ2+cosθdθ=20πcosθ2+cosθdθ=201t21+t22+1t21+t22dt1+t2        (t=tanθ2)=40t21(t2+3)(t2+1)dt=40(2t2+31t2+1)dt=4(π3π2)=4π3+2π\begin{aligned} \int_0^{2 \pi} \frac{\cos \theta}{2 + \cos \theta} d \theta &= 2 \int_0^\pi \frac{\cos \theta}{2 + \cos \theta} d \theta \\ &= 2 \int_0^\infty \frac{\frac{1-t^2}{1+t^2}}{2 + \frac{1-t^2}{1+t^2}} \frac{2 dt}{1 + t^2} \ \ \ \ \ \ \ \ \left( t = \tan \frac{\theta}{2} \right) \\ &= -4 \int_0^\infty \frac{t^2 - 1}{(t^2 + 3)(t^2 + 1)} dt \\ &= -4 \int_0^\infty \left( \frac{2}{t^2 + 3} - \frac{1}{t^2 + 1} \right) dt \\ &= -4 \left( \frac{\pi}{\sqrt{3}} - \frac{\pi}{2} \right) \\ &= - \frac{4 \pi}{\sqrt{3}} + 2 \pi \end{aligned}

2.

まず、与えられた微分方程式に y=Asinx+Bcosxy = A \sin x + B \cos xA,BA,Bxx によらない定数)を代入すると、

(2A+4B)sinx+(4A+2B)cosx=cosx\begin{aligned} (2A+4B) \sin x + (-4A+2B) \cos x = \cos x \end{aligned}

となって、 A=1/5,B=1/10A=-1/5, B=1/10 を得るので、

y=15sinx+110cosx\begin{aligned} y = - \frac{1}{5} \sin x + \frac{1}{10} \cos x \end{aligned}

は特殊解である。

次に、

d2ydx24dydx+3y=0\begin{aligned} \frac{d^2y}{dx^2} - 4 \frac{dy}{dx} + 3y = 0 \end{aligned}

y=eλxy = e^{\lambda x}λ\lambdaxx によらない定数)を代入すると、

λ24λ+3=0(λ1)(λ3)=0  λ=1,3\begin{aligned} \lambda^2 - 4 \lambda + 3 &= 0 \\ (\lambda-1)(\lambda-3) &= 0 \\ \therefore \ \ \lambda &= 1, 3 \end{aligned}

を得るので、

y=Cex+De3x        (C,D は積分定数 )\begin{aligned} y = C e^x + D e^{3x} \ \ \ \ \ \ \ \ ( C, D \text{ は積分定数 } ) \end{aligned}

はこの微分方程式の一般解である。

以上より、

y=Cex+De3x15sinx+110cosx        (C,D は積分定数 )\begin{aligned} y = C e^x + D e^{3x} - \frac{1}{5} \sin x + \frac{1}{10} \cos x \ \ \ \ \ \ \ \ ( C, D \text{ は積分定数 } ) \end{aligned}

は与えられた微分方程式の一般解である。

3.

f0f''\ge0 より ff' は単調非減少である。任意の xx に対し、平均値の定理を区間 [x1,x][x-1,x][x,x+1][x,x+1] に適用すると、ある ξx(x1,x)\xi_x\in(x-1,x)ηx(x,x+1)\eta_x\in(x,x+1) が存在し

f(x)f(x1)=f(ξx)f(x)f(ηx)=f(x+1)f(x)f(x)-f(x-1)=f'(\xi_x)\le f'(x)\le f'(\eta_x)=f(x+1)-f(x)

を得る。f(x)f(x)x+x\to+\infty で同じ有限値へ収束するため、両端の差はいずれも0へ収束する。はさみうちの原理から

limx+f(x)=0.\boxed{\lim_{x\to+\infty}f'(x)=0}.