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東京大学 工学系研究科 2012年8月実施 数学 第3問

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

I. f(z)=1/[(z−1)z(z+2)]f(z)=1/[(z-1)z(z+2)] とする。 (1) 1<∣z−1∣<31<|z-1|<3 におけるローラン展開を求めよ。 (2) ∣z−1∣=2|z-1|=2 を反時計回りに二周する経路 CC に沿う積分 ∮Cf(z) dz\oint_C f(z)\,dz を求めよ。

II. g(z)=z2/(z4+1)g(z)=z^2/(z^4+1) とする。 (1) 上半平面にある極をすべて求めよ。 (2) 留数定理により ∫−∞∞x2/(x4+1) dx\int_{-\infty}^\infty x^2/(x^4+1)\,dx を計算せよ。

题目描述​

I. 设 f(z)=1/[(z−1)z(z+2)]f(z)=1/[(z-1)z(z+2)]。 (1) 求 1<∣z−1∣<31<|z-1|<3 上的 Laurent 展开;(2) 对沿 ∣z−1∣=2|z-1|=2 逆时针绕行两周的闭路 CC,求 ∮Cf(z) dz\oint_C f(z)\,dz。

II. 设 g(z)=z2/(z4+1)g(z)=z^2/(z^4+1)。(1) 求上半平面的全部极点;(2) 用留数定理计算 ∫−∞∞x2/(x4+1) dx\int_{-\infty}^\infty x^2/(x^4+1)\,dx。

Kai​

I​

w=z−1w=z-1 とおき、部分分数に分解すると、

f(z)=13w−12(w+1)+16(w+3).f(z)=\frac1{3w}-\frac1{2(w+1)}+\frac1{6(w+3)}.

1<∣w∣<31<|w|<3 でそれぞれ展開して、

f(z)=13w−12∑n=0∞(−1)nwn+1+118∑n=0∞(−1)nwn3n.\boxed{f(z)=\frac1{3w}-\frac12\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n}{w^{n+1}} +\frac1{18}\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^nw^n}{3^n}}.

w−1w^{-1} の係数は 1/3−1/2=−1/61/3-1/2=-1/6 である。経路は二周するから、

∮Cf(z) dz=4πi(−16)=−2πi3.\boxed{\oint_C f(z)\,dz=4\pi i\left(-\frac16\right)=-\frac{2\pi i}3}.

II​

上半平面の極は z1=eiπ/4, z2=e3iπ/4\boxed{z_1=e^{i\pi/4},\ z_2=e^{3i\pi/4}} で、いずれも一位の極であり、 Res⁡zjg=1/(4zj)\operatorname{Res}_{z_j}g=1/(4z_j)。 上半円弧の積分は O(R−1)→0O(R^{-1})\to0 なので、

∫−∞∞x2x4+1 dx=2πi(14z1+14z2)=π2.\boxed{\int_{-\infty}^\infty\frac{x^2}{x^4+1}\,dx =2\pi i\left(\frac1{4z_1}+\frac1{4z_2}\right)=\frac\pi{\sqrt2}}.