東京大学 工学系研究科 2020年度 数学 第3問
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)
Description
整数 n≥2 に対して fn(z)=1/(zn−1) とする。
- n=3 のとき、すべての特異点を求めよ。
- 任意の特異点 p0 における留数を求め、n,p0 を用いて簡潔に表せ。
- C を反時計回りの円周 ∣z∣=2 とする。∮Cfn(z)dz を求めよ。
II–IV.
次の三つの極限をそれぞれ求めよ。
ε→0+lim[∫−∞1−εx3−1dx+∫1+ε∞x3−1dx],
ε→0+lim[∫01−εx4−1cosxdx+∫1+ε∞x4−1cosxdx],
ε→0+lim[∫01−εx4−1sin(x2−π/4)dx+∫1+ε∞x4−1sin(x2−π/4)dx].
题目描述
设 fn(z)=1/(zn−1),n≥2 为整数。
- 当 n=3 时,求全部奇点。
- 求任一奇点 p0 处的留数,用 n,p0 简洁表示。
- C 为逆时针圆周 ∣z∣=2,求 ∮Cfn(z)dz。
II–IV.
分别求下列极限:
ε→0+lim[∫−∞1−εx3−1dx+∫1+ε∞x3−1dx],
ε→0+lim[∫01−εx4−1cosxdx+∫1+ε∞x4−1cosxdx],
ε→0+lim[∫01−εx4−1sin(x2−π/4)dx+∫1+ε∞x4−1sin(x2−π/4)dx].
Kai
-
特異点は 1, (−1+i3)/2, (−1−i3)/2 であり、すべて1位の極である。
-
p0n=1 より
Resp0fn=np0n−11=np0.
- 円内には n 乗根がすべて含まれ、それらの和は零である。したがって
∮Cfn(z)dz=n2πik=0∑n−1e2πik/n=0.
II.
上半平面で経路を閉じ、時計回りの上半小円で z=1 を避ける。大円弧の積分は零に、小円弧の積分は −iπ/3 に収束する。ω=(−1+i3)/2 とおけば
PV∫−∞∞x3−1dx−3iπ=2πi3ω.
よって極限は −π/3 である。
III.
F(z)=eiz/(z4−1) に対して上半平面で経路を閉じ、実軸上の極 ±1 を上側から避ける。留数は
ResiF=4ie−1,Res1F+Res−1F=4ei−e−i=2isin1.
よって
PV∫−∞∞F(x)dx=2πiResiF+iπ(Res1F+Res−1F)=−2π(e−1+sin1).
実部をとり、偶関数であることを用いると
−4π(e−1+sin1).
IV.
H(z)=eiz2−iπ/4/(z4−1) とおき、0≤argz≤π/4 の扇形内で経路を閉じ、z=1 を上側から避ける。扇形内部には極がなく、大円弧の積分は零に収束する。一方、回転した半直線上では
H(eiπ/4t)eiπ/4dt=−t4+1e−t2dt
は実数となる。したがって
PV∫0∞H(x)dx=iπ4ei(1−π/4)−∫0∞t4+1e−t2dt.
虚部をとると
4πcos(1−4π)=42π(cos1+sin1).