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東京大学 工学系研究科 2013年8月実施 数学 第3問

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

I. 留数定理を用いて ∫0πcos⁡4θ1+cos⁡2θ dθ\displaystyle\int_0^\pi\frac{\cos4\theta}{1+\cos^2\theta}\,d\theta を求めよ。

II. 12πi∮Cezz2(1−z2) dz\displaystyle\frac1{2\pi i}\oint_C\frac{e^z}{z^2(1-z^2)}\,dz を求めよ。 閉路 CC の −1,0,1-1,0,1 に対する巻き数は、それぞれ 1,2,−11,2,-1 である。

III. (1) w=(z+1)/(z−1)w=(z+1)/(z-1) による領域 ∣z∣<1|z|<1 と Re⁡z<0\operatorname{Re}z<0 の像をそれぞれ求めよ。

(2) 正の実数 α,β\alpha,\beta に対し、w=(z−α)/(αz−1)w=(z-\alpha)/(\alpha z-1) は円環 β<∣z∣<1\beta<|z|<1 を ∣w−1/4∣>1/4, ∣w∣<1|w-1/4|>1/4,\ |w|<1 に写す。α,β\alpha,\beta を求めよ。

図

题目描述​

I. 用留数定理求 ∫0πcos⁡4θ1+cos⁡2θ dθ\displaystyle\int_0^\pi\frac{\cos4\theta}{1+\cos^2\theta}\,d\theta。

II. 求 12πi∮Cezz2(1−z2) dz\displaystyle\frac1{2\pi i}\oint_C\frac{e^z}{z^2(1-z^2)}\,dz。闭路 CC 对 −1,0,1-1,0,1 的绕数分别为 1,2,−11,2,-1,方向见图。

III. (1) 求 w=(z+1)/(z−1)w=(z+1)/(z-1) 下区域 ∣z∣<1|z|<1 和 Re⁡z<0\operatorname{Re}z<0 的像。

(2) 正实数 α,β\alpha,\beta 使 w=(z−α)/(αz−1)w=(z-\alpha)/(\alpha z-1) 把圆环 β<∣z∣<1\beta<|z|<1 映为 ∣w−1/4∣>1/4, ∣w∣<1|w-1/4|>1/4,\ |w|<1。求 α,β\alpha,\beta。

Kai​

I​

ϕ=2θ\phi=2\theta とおくと、元の積分は ∫02πcos⁡2ϕ/(3+cos⁡ϕ) dϕ\int_0^{2\pi}\cos2\phi/(3+\cos\phi)\,d\phi。 Jj=∫02πeijϕ/(3+cos⁡ϕ) dϕJ_j=\int_0^{2\pi}e^{ij\phi}/(3+\cos\phi)\,d\phi(j=0,2j=0,2)とおく。 z=eiϕz=e^{i\phi} と変換すると、

Jj=2i∮∣z∣=1zjz2+6z+1 dz.J_j=\frac2i\oint_{|z|=1}\frac{z^j}{z^2+6z+1}\,dz.

円内の極は ρ=−3+22\rho=-3+2\sqrt2 のみで、もう一つの根は −3−22-3-2\sqrt2 だから、 Jj=πρj/2J_j=\pi\rho^j/\sqrt2。j=2j=2 の実部を取れば、

I=π2(17−122).\boxed{I=\frac\pi{\sqrt2}(17-12\sqrt2)}.

II​

被積分関数の −1,0,1-1,0,1 における留数はそれぞれ e−1/2,1,−e/2e^{-1}/2,1,-e/2。巻き数を掛けて加えると、

12πi∮Cezz2(1−z2) dz=e−12+2+e2=2+cosh⁡1.\boxed{\frac1{2\pi i}\oint_C\frac{e^z}{z^2(1-z^2)}\,dz =\frac{e^{-1}}2+2+\frac e2=2+\cosh1}.

III​

1​

逆変換も z=(w+1)/(w−1)z=(w+1)/(w-1) であるから、

∣z∣<1  ⟺  ∣w+1∣<∣w−1∣  ⟺  Re⁡w<0.|z|<1\iff|w+1|<|w-1|\iff\operatorname{Re}w<0.

また Re⁡z=(∣w∣2−1)/∣w−1∣2\operatorname{Re}z=(|w|^2-1)/|w-1|^2 なので、

{∣z∣<1}↦{Re⁡w<0},{Re⁡z<0}↦{∣w∣<1}.\boxed{\{|z|<1\}\mapsto\{\operatorname{Re}w<0\},\qquad \{\operatorname{Re}z<0\}\mapsto\{|w|<1\}}.

2​

この変換は単位円を保ち、

∣w∣2−1=(1−α2)(∣z∣2−1)∣αz−1∣2.|w|^2-1=\frac{(1-\alpha^2)(|z|^2-1)}{|\alpha z-1|^2}.

円内の円環を単位円内に写すためには 0<α<10<\alpha<1 が必要である。 ∣z∣=β|z|=\beta のとき ∣w−1/4∣=1/4|w-1/4|=1/4 となる条件は

∣(4−α)z+1−4α∣2=∣αz−1∣2.|(4-\alpha)z+1-4\alpha|^2=|\alpha z-1|^2.

Re⁡z\operatorname{Re}z の係数と定数項を比較すると、 α2−4α+1=0\alpha^2-4\alpha+1=0、(2−α)β2+2α2−α=0(2-\alpha)\beta^2+2\alpha^2-\alpha=0。 従って、

α=β=2−3.\boxed{\alpha=\beta=2-\sqrt3}.

代入すると両辺の二乗の差は 8(2−α)(∣z∣2−β2)8(2-\alpha)(|z|^2-\beta^2) となり、円環内では確かに ∣w−1/4∣>1/4|w-1/4|>1/4 である。