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)。
- 定積分 ∫02πcosθ/(2+cosθ)dθ を計算する。
- 微分方程式 y′′−4y′+3y=cosx の一般解を求める。
- 実数全体で2回微分可能な関数 f が、すべての x で f′′(x)≥0 を満たし、x→+∞ で有限値に収束するとする。このとき f′(x)→0 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)
- 计算积分
∫02π2+cosθcosθdθ.
- 求微分方程
y′′−4y′+3y=cosx
的通解。
- 设 f:R→R 二阶可微,limx→+∞f(x) 存在且有限,并且每个实数 x 都满足 f′′(x)≥0。证明 limx→+∞f′(x)=0。
Kai
∫02π2+cosθcosθdθ=2∫0π2+cosθcosθdθ=2∫0∞2+1+t21−t21+t21−t21+t22dt (t=tan2θ)=−4∫0∞(t2+3)(t2+1)t2−1dt=−4∫0∞(t2+32−t2+11)dt=−4(3π−2π)=−34π+2π
まず、与えられた微分方程式に y=Asinx+Bcosx
( A,B は x によらない定数)を代入すると、
(2A+4B)sinx+(−4A+2B)cosx=cosx
となって、 A=−1/5,B=1/10 を得るので、
y=−51sinx+101cosx
は特殊解である。
次に、
dx2d2y−4dxdy+3y=0
に y=eλx
( λ は x によらない定数)を代入すると、
λ2−4λ+3(λ−1)(λ−3)∴ λ=0=0=1,3
を得るので、
y=Cex+De3x (C,D は積分定数 )
はこの微分方程式の一般解である。
以上より、
y=Cex+De3x−51sinx+101cosx (C,D は積分定数 )
は与えられた微分方程式の一般解である。
f′′≥0 より f′ は単調非減少である。任意の x に対し、平均値の定理を区間 [x−1,x] と [x,x+1] に適用すると、ある ξx∈(x−1,x)、ηx∈(x,x+1) が存在し
f(x)−f(x−1)=f′(ξx)≤f′(x)≤f′(ηx)=f(x+1)−f(x)
を得る。f(x) は x→+∞ 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
x→+∞limf′(x)=0.