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東京大学 工学系研究科 2013年8月実施 数学 第5問

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

tt を実数として (f∗g)(t)=∫0tf(τ)g(t−τ) dτ(f*g)(t)=\int_0^t f(\tau)g(t-\tau)\,d\tau とし、 L[f](s)=∫0∞f(t)e−st dt\mathcal L[f](s)=\int_0^\infty f(t)e^{-st}\,dt と定める。 L[f∗g]=L[f]L[g]\mathcal L[f*g]=\mathcal L[f]\mathcal L[g] を用いてよい。

I. 定義に従い畳み込みを求めよ。(1) f(t)=cos⁡ωt,g(t)=sin⁡ωtf(t)=\cos\omega t,g(t)=\sin\omega t(ω∈R\omega\in\mathbb R)。(2) f(t)=et,g(t)=e−tf(t)=e^t,g(t)=e^{-t}。

II. q(t)=u(t)−u(t−1)q(t)=u(t)-u(t-1)、r(t)=t+sin⁡2πtr(t)=t+\sin2\pi t とする。u(t)=0u(t)=0(t≤0t\le0)、u(t)=1u(t)=1(t>0t>0)である。 (1) 0≤t<40\le t<4 で q,rq,r の概形を描け。(2) 両関数のラプラス変換を求めよ。 (3) y=q∗ry=q*r を求め、同区間で概形を描け。a≥0a\ge0 に対する移動公式 L[f(t−a)u(t−a)]=e−asL[f](s)\mathcal L[f(t-a)u(t-a)]=e^{-as}\mathcal L[f](s) を用いてよい。

III. 積分方程式 x(t)+2et∫0tx(τ)e−τ dτ=tet\displaystyle x(t)+2e^t\int_0^t x(\tau)e^{-\tau}\,d\tau=te^t を解け。

题目描述​

对实数 tt,定义 (f∗g)(t)=∫0tf(τ)g(t−τ) dτ(f*g)(t)=\int_0^t f(\tau)g(t-\tau)\,d\tau,并令 L[f](s)=∫0∞f(t)e−st dt\mathcal L[f](s)=\int_0^\infty f(t)e^{-st}\,dt。 可用 L[f∗g]=L[f]L[g]\mathcal L[f*g]=\mathcal L[f]\mathcal L[g]。

I. 按定义计算卷积:(1) f(t)=cos⁡ωt,g(t)=sin⁡ωtf(t)=\cos\omega t,g(t)=\sin\omega t,ω∈R\omega\in\mathbb R;(2) f(t)=et,g(t)=e−tf(t)=e^t,g(t)=e^{-t}。

II. 令 q(t)=u(t)−u(t−1)q(t)=u(t)-u(t-1)、r(t)=t+sin⁡2πtr(t)=t+\sin2\pi t,其中 u(t)=0u(t)=0(t≤0t\le0)、u(t)=1u(t)=1(t>0t>0)。 (1) 在 0≤t<40\le t<4 图示 q,rq,r;(2) 求二者的拉普拉斯变换;(3) 求 y=q∗ry=q*r,并在同一区间图示。可用位移公式 L[f(t−a)u(t−a)]=e−asL[f](s)\mathcal L[f(t-a)u(t-a)]=e^{-as}\mathcal L[f](s)(a≥0a\ge0)。

III. 求积分方程 x(t)+2et∫0tx(τ)e−τ dτ=tet\displaystyle x(t)+2e^t\int_0^t x(\tau)e^{-\tau}\,d\tau=te^t 的解。

Kai​

I​

  1. 積和公式を用いると、τ−t/2\tau-t/2 の奇関数の項は積分で消えるので、
∫0tcos⁡ωτsin⁡ω(t−τ) dτ=t2sin⁡ωt.\int_0^t\cos\omega\tau\sin\omega(t-\tau)\,d\tau =\boxed{\frac t2\sin\omega t}.
  1. e−t∫0te2τ dτ=sinh⁡t\displaystyle e^{-t}\int_0^t e^{2\tau}\,d\tau=\boxed{\sinh t}。

II​

q(t)q(t) は (0,1](0,1] で 11、それ以外で 00。r(t)r(t) は直線 tt に周期 11 の正弦波を加えたものである。 定義から積分して、

Q(s)=1−e−ss,R(s)=1s2+2πs2+4π2(Re⁡s>0).\boxed{Q(s)=\frac{1-e^{-s}}s,\qquad R(s)=\frac1{s^2}+\frac{2\pi}{s^2+4\pi^2}}\qquad(\operatorname{Re}s>0).

H(t)=∫0tr(v) dv=t2/2+(1−cos⁡2πt)/(2π)H(t)=\int_0^t r(v)\,dv=t^2/2+(1-\cos2\pi t)/(2\pi) とおくと、

y(t)=H(t)−u(t−1)H(t−1)={t22+1−cos⁡2πt2π,0≤t≤1,t−12,t>1.y(t)=H(t)-u(t-1)H(t-1) =\boxed{\begin{cases} \dfrac{t^2}2+\dfrac{1-\cos2\pi t}{2\pi},&0\le t\le1,\\ t-\dfrac12,&t>1. \end{cases}}

q、rおよび畳み込みyのグラフ

III​

v(t)=e−tx(t)v(t)=e^{-t}x(t) とおくと、方程式は v(t)+2∫0tv(τ) dτ=tv(t)+2\int_0^t v(\tau)\,d\tau=t となる。 t=0t=0 より v(0)=0v(0)=0。微分して v′+2v=1v'+2v=1 を解くと、

x(t)=12(et−e−t)=sinh⁡t.\boxed{x(t)=\frac12(e^t-e^{-t})=\sinh t}.