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東京大学 工学系研究科 2015年8月実施 数学 第3問

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

z=x+iy,w=u+ivz=x+iy,w=u+iv とする。

I. 写像 w=sin⁡zw=\sin z について、以下に答えよ。

  1. u,vu,v をそれぞれ x,yx,y の関数で表せ。
  2. 半無限帯状領域 D1={0≤x≤π/2, y≥0}D_1=\{0\le x\le\pi/2,\ y\ge0\} の像を求めよ。y≥0y\ge0 における半直線 x=0,x=π/2,x=cx=0,x=\pi/2,x=c(0<c<π/20<c<\pi/2)の像を図示せよ。

II. 実関数 gg が連続な1階・2階偏微分を持ち、gxx+gyy=0g_{xx}+g_{yy}=0 を満たすとき調和関数と呼ぶ。f(z)=u(x,y)+iv(x,y)f(z)=u(x,y)+iv(x,y) が DD で正則であるとする。

  1. u,vu,v がともに調和関数であることを示せ。
  2. h(u,v)h(u,v) が像領域 Δ\Delta で調和であるとき、H(x,y)=h(u(x,y),v(x,y))H(x,y)=h(u(x,y),v(x,y)) は DD で調和であることを示せ。

III. hh は第1象限 Δ1={u≥0,v≥0}\Delta_1=\{u\ge0,v\ge0\} で調和であり、次の境界条件を満たすとする。

h(0,v)=0 (v≥0),h(u,0)=1 (u≥1),hv(u,0)=0 (0≤u≤1).h(0,v)=0\ (v\ge0),\qquad h(u,0)=1\ (u\ge1),\qquad h_v(u,0)=0\ (0\le u\le1).
  1. z=arcsin⁡wz=\arcsin w(主値)とおき、対応する H(x,y)H(x,y) の境界条件を求めよ。
  2. これらの境界条件を満たす H(x,y)H(x,y) を求めよ。
  3. 0≤u≤10\le u\le1 における h(u,0)h(u,0) を求めよ。

题目描述​

设 z=x+iy,w=u+ivz=x+iy,w=u+iv。

I. 对映射 w=sin⁡zw=\sin z:

  1. 用 x,yx,y 分别表示 u,vu,v。
  2. 求半无限条带 D1={0≤x≤π/2, y≥0}D_1=\{0\le x\le\pi/2,\ y\ge0\} 的像域;画出 y≥0y\ge0 上三条射线 x=0,x=π/2,x=cx=0,x=\pi/2,x=c(0<c<π/20<c<\pi/2)的像。

II. 若实函数 gg 有连续的一阶、二阶偏导数且满足 gxx+gyy=0g_{xx}+g_{yy}=0,则称其为调和函数。设 f(z)=u(x,y)+iv(x,y)f(z)=u(x,y)+iv(x,y) 在 DD 内全纯:

  1. 证明 u,vu,v 均为调和函数。
  2. 若 h(u,v)h(u,v) 在像域 Δ\Delta 内调和,证明 H(x,y)=h(u(x,y),v(x,y))H(x,y)=h(u(x,y),v(x,y)) 在 DD 内调和。

III. 设 hh 在第一象限 Δ1={u≥0,v≥0}\Delta_1=\{u\ge0,v\ge0\} 内调和,边界条件为

h(0,v)=0 (v≥0),h(u,0)=1 (u≥1),hv(u,0)=0 (0≤u≤1).h(0,v)=0\ (v\ge0),\qquad h(u,0)=1\ (u\ge1),\qquad h_v(u,0)=0\ (0\le u\le1).
  1. 令 z=arcsin⁡wz=\arcsin w(取主值),求对应的 H(x,y)H(x,y) 的边界条件。
  2. 求满足这些边界条件的 H(x,y)H(x,y)。
  3. 求 0≤u≤10\le u\le1 时的 h(u,0)h(u,0)。

Kai​

I.1​

sin⁡(x+iy)=sin⁡xcosh⁡y+icos⁡xsinh⁡y,\sin(x+iy)=\sin x\cosh y+i\cos x\sinh y,

したがって u=sin⁡xcosh⁡y,v=cos⁡xsinh⁡y\boxed{u=\sin x\cosh y,\quad v=\cos x\sinh y}。

I.2​

境界および半直線の対応は次のとおりである。

z 平面w 平面x=0, y≥0u=0, v≥0x=π/2, y≥0v=0, u≥1y=0, 0≤x≤π/2v=0, 0≤u≤1x=c, y≥0u2/sin⁡2c−v2/cos⁡2c=1,u≥sin⁡c, v≥0\begin{array}{c|c} z\text{ 平面}&w\text{ 平面}\\\hline x=0,\ y\ge0&u=0,\ v\ge0\\ x=\pi/2,\ y\ge0&v=0,\ u\ge1\\ y=0,\ 0\le x\le\pi/2&v=0,\ 0\le u\le1\\ x=c,\ y\ge0&u^2/\sin^2c-v^2/\cos^2c=1,\quad u\ge\sin c,\ v\ge0 \end{array}

よって像領域は Δ1={u≥0,v≥0}\boxed{\Delta_1=\{u\ge0,v\ge0\}}。

正弦写像による帯状領域と第1象限の対応

II.1​

コーシー–リーマンの関係式 ux=vy,uy=−vxu_x=v_y,u_y=-v_x より、

Δu=vyx−vxy=0,Δv=−uyx+uxy=0.\Delta u=v_{yx}-v_{xy}=0,\qquad \Delta v=-u_{yx}+u_{xy}=0.

したがって u,vu,v はともに調和である。

II.2​

連鎖律から、

ΔH=huu∣∇u∣2+2huv∇u⋅∇v+hvv∣∇v∣2+huΔu+hvΔv.\Delta H=h_{uu}|\nabla u|^2+2h_{uv}\nabla u\cdot\nabla v +h_{vv}|\nabla v|^2+h_u\Delta u+h_v\Delta v.

コーシー–リーマンの関係式より ∇u⋅∇v=0\nabla u\cdot\nabla v=0、∣∇u∣2=∣∇v∣2=∣f′(z)∣2|\nabla u|^2=|\nabla v|^2=|f'(z)|^2。したがって

ΔH=∣f′(z)∣2(huu+hvv)=0.\boxed{\Delta H=|f'(z)|^2(h_{uu}+h_{vv})=0.}

III.1​

I の境界対応と uy(x,0)=0,vy(x,0)=cos⁡xu_y(x,0)=0,v_y(x,0)=\cos x より、

H(0,y)=0,H(π/2,y)=1,Hy(x,0)=0.\boxed{H(0,y)=0,\quad H(\pi/2,y)=1,\quad H_y(x,0)=0.}

III.2–3​

HH が yy によらない解を取ると Hxx=0H_{xx}=0。両側の境界値より、

H0(x,y)=2xπ,h0(u,0)=2πarcsin⁡u(0≤u≤1).\boxed{H_0(x,y)=\frac{2x}{\pi},\qquad h_0(u,0)=\frac2\pi\arcsin u\quad(0\le u\le1).}

これは条件を満たす有界解である。無限遠での有界性を課さなければ解は一意ではない。例えば任意の実数 CC に対して、

HC=2xπ+Csin⁡(2x)cosh⁡(2y),hC(u,0)=2πarcsin⁡u+2Cu1−u2.H_C=\frac{2x}{\pi}+C\sin(2x)\cosh(2y),\qquad h_C(u,0)=\frac2\pi\arcsin u+2Cu\sqrt{1-u^2}.