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東京大学 工学系研究科 2019年度 数学 第1問

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

問題

I. x2yxy+y=x3x^2y''-xy'+y=x^3 の一般解を求めよ。

II. x2yx2y2+xy+1=0x^2y'-x^2y^2+xy+1=0 の一般解を求めよ。ただし y=1/xy=1/x は特解である。

III. 非負整数 nn に対して In=0π/4tannxdx\displaystyle I_n=\int_0^{\pi/4}\tan^n x\,dx と定める。

  1. I0,I1,I2I_0,I_1,I_2 を求めよ。
  2. n2n\ge2 に対して InI_n を求めよ。

题目描述

I. 求 x2yxy+y=x3x^2y''-xy'+y=x^3 的通解。

II. 求 x2yx2y2+xy+1=0x^2y'-x^2y^2+xy+1=0 的通解。已知 y=1/xy=1/x 为一个特解。

III. 定义 In=0π/4tannxdx\displaystyle I_n=\int_0^{\pi/4}\tan^n x\,dxnn 为非负整数。

  1. I0,I1,I2I_0,I_1,I_2
  2. n2n\ge2 时的 InI_n

Kai

I.

t=logxt=\log|x| とおけば (Dt1)2y=x3(D_t-1)^2y=x^3 となる。斉次解は C1x+C2xlogxC_1x+C_2x\log|x|、特解は x3/4x^3/4 なので、x=0x=0 をまたがない区間において

y=C1x+C2xlogx+x34.\boxed{y=C_1x+C_2x\log|x|+\frac{x^3}{4}}.

II.

y=1/x+uy=1/x+u とおくと uu/x=u2u'-u/x=u^2 となる。u0u\ne0 の場合、さらに v=1/uv=1/u とおけば

v+vx=1,(xv)=x.v'+\frac vx=-1,\qquad (xv)'=-x.

したがって

y=1x+2xCx2,x0, Cx20.\boxed{y=\frac1x+\frac{2x}{C-x^2}},\qquad x\ne0,\ C-x^2\ne0.

また、置換の際に分けた解として y=1/x\boxed{y=1/x} がある。

III.

  1. 直接積分して
I0=π4,I1=12log2,I2=1π4.\boxed{I_0=\frac\pi4,\qquad I_1=\frac12\log2,\qquad I_2=1-\frac\pi4}.
  1. tan2x=sec2x1\tan^2x=\sec^2x-1 より
In=0π/4tann2xsec2xdxIn2=1n1In2.I_n=\int_0^{\pi/4}\tan^{n-2}x\,\sec^2x\,dx-I_{n-2} =\frac1{n-1}-I_{n-2}.

よって k1k\ge1 に対して

I2k=j=1k(1)kj2j1+(1)kπ4,I2k+1=j=1k(1)kj2j+(1)k2log2.\boxed{\begin{aligned} I_{2k}&=\sum_{j=1}^k\frac{(-1)^{k-j}}{2j-1}+(-1)^k\frac\pi4,\\ I_{2k+1}&=\sum_{j=1}^k\frac{(-1)^{k-j}}{2j}+\frac{(-1)^k}{2}\log2. \end{aligned}}