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東北大学 工学研究科 電気・情報系 2016年3月実施 専門科目 問題7 物理専門2

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)

Description​

日本語版​

複素変数 zz の関数 f(z)=1/(z2−4z−1)f(z)=1/(z^2-4z-1) を考える。

CC を z=eiθz=e^{i\theta}(0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi)により表される円周上を正の向きに回る積分路とするとき,以下の問に答えよ。ただし,ii は虚数単位である。

(1) 関数 f(z)f(z) のすべての孤立特異点とその留数を求めよ。

(2) 関数 f(z)f(z) の領域 0<∣z−2+5∣<250<|z-2+\sqrt5|<2\sqrt5 における z=2−5z=2-\sqrt5 まわりのローラン級数を求めよ。

(3) 複素積分 ∫Cf(z) dz\int_Cf(z)\,dz を求めよ。

(4) 複素積分 ∫Cf(−z) dz\int_Cf(-z)\,dz を求めよ。

(5) 実変数 xx の関数 g(x)=1/(2i+sin⁡x)g(x)=1/(2i+\sin x) のフーリエ級数を求めよ。

题目描述​

令 f(z)=1/(z2−4z−1)f(z)=1/(z^2-4z-1),CC 为单位圆 z=eiθz=e^{i\theta}(0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi)的正向路径。

  1. 求全部孤立奇点及其留数。
  2. 求在 0<∣z−2+5∣<250<|z-2+\sqrt5|<2\sqrt5 内、以 z=2−5z=2-\sqrt5 为中心的洛朗级数。
  3. 求 ∮Cf(z) dz\oint_Cf(z)\,dz。
  4. 求 ∮Cf(−z) dz\oint_Cf(-z)\,dz。
  5. 求 g(x)=1/(2i+sin⁡x)g(x)=1/(2i+\sin x) 的傅里叶级数。

Kai​

(1)​

记 a=2−5,b=2+5a=2-\sqrt5,b=2+\sqrt5。两奇点均为一阶极点,且

Res⁡(f,a)=−125,Res⁡(f,b)=125.\boxed{\operatorname{Res}(f,a)=-\frac1{2\sqrt5},\qquad\operatorname{Res}(f,b)=\frac1{2\sqrt5}.}

(2)​

令 w=z−aw=z-a,则 f=1/[w(w−25)]f=1/[w(w-2\sqrt5)],所以

f(z)=−∑n=0∞(z−a)n−1(25)n+1,0<∣z−a∣<25.\boxed{f(z)=-\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(z-a)^{n-1}}{(2\sqrt5)^{n+1}},\qquad0<|z-a|<2\sqrt5.}

(3)–(4)​

单位圆内只有 aa,故

∮Cf(z)dz=−πi5.\boxed{\oint_Cf(z)dz=-\frac{\pi i}{\sqrt5}.}

而 f(−z)f(-z) 在圆内的极点为 −a-a,留数为 −Res⁡(f,a)=1/(25)-\operatorname{Res}(f,a)=1/(2\sqrt5),所以

∮Cf(−z)dz=πi5.\boxed{\oint_Cf(-z)dz=\frac{\pi i}{\sqrt5}.}

(5)​

令 q=5−2∈(0,1)q=\sqrt5-2\in(0,1)、z=eixz=e^{ix}。有

g(x)=2izz2−4z−1,a=−q,b=q−1.g(x)=\frac{2iz}{z^2-4z-1},\qquad a=-q,\quad b=q^{-1}.

在 ∣a∣<∣z∣<b|a|<|z|<b 中分别展开两极点的部分分式,得到

g(x)=−i5[1+∑n=1∞qn{einx+(−1)ne−inx}].\boxed{g(x)=-\frac{i}{\sqrt5}\left[1+\sum_{n=1}^{\infty}q^n\{e^{inx}+(-1)^ne^{-inx}\}\right].}

等价的实三角形式为

g(x)=−i5−2i5∑k=1∞q2kcos⁡(2kx)+25∑k=0∞q2k+1sin⁡((2k+1)x).\boxed{g(x)=-\frac{i}{\sqrt5} -\frac{2i}{\sqrt5}\sum_{k=1}^{\infty}q^{2k}\cos(2kx) +\frac2{\sqrt5}\sum_{k=0}^{\infty}q^{2k+1}\sin((2k+1)x).}

因 0<q<10<q<1,级数对所有实 xx 绝对且一致收敛。