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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

I.

整数 n2n\ge2 に対して fn(z)=1/(zn1)f_n(z)=1/(z^n-1) とする。

  1. n=3n=3 のとき、すべての特異点を求めよ。
  2. 任意の特異点 p0p_0 における留数を求め、n,p0n,p_0 を用いて簡潔に表せ。
  3. CC を反時計回りの円周 z=2|z|=2 とする。Cfn(z)dz\displaystyle\oint_Cf_n(z)\,dz を求めよ。

II–IV.

次の三つの極限をそれぞれ求めよ。

limε0+[1εdxx31+1+εdxx31],\lim_{\varepsilon\to0^+}\left[ \int_{-\infty}^{1-\varepsilon}\frac{dx}{x^3-1} +\int_{1+\varepsilon}^\infty\frac{dx}{x^3-1}\right],
limε0+[01εcosxx41dx+1+εcosxx41dx],\lim_{\varepsilon\to0^+}\left[ \int_0^{1-\varepsilon}\frac{\cos x}{x^4-1}\,dx +\int_{1+\varepsilon}^\infty\frac{\cos x}{x^4-1}\,dx\right],
limε0+[01εsin(x2π/4)x41dx+1+εsin(x2π/4)x41dx].\lim_{\varepsilon\to0^+}\left[ \int_0^{1-\varepsilon}\frac{\sin(x^2-\pi/4)}{x^4-1}\,dx +\int_{1+\varepsilon}^\infty\frac{\sin(x^2-\pi/4)}{x^4-1}\,dx\right].

题目描述

I.

fn(z)=1/(zn1)f_n(z)=1/(z^n-1)n2n\ge2 为整数。

  1. n=3n=3 时,求全部奇点。
  2. 求任一奇点 p0p_0 处的留数,用 n,p0n,p_0 简洁表示。
  3. CC 为逆时针圆周 z=2|z|=2,求 Cfn(z)dz\displaystyle\oint_Cf_n(z)\,dz
II–IV.

分别求下列极限:

limε0+[1εdxx31+1+εdxx31],\lim_{\varepsilon\to0^+}\left[ \int_{-\infty}^{1-\varepsilon}\frac{dx}{x^3-1} +\int_{1+\varepsilon}^\infty\frac{dx}{x^3-1}\right],
limε0+[01εcosxx41dx+1+εcosxx41dx],\lim_{\varepsilon\to0^+}\left[ \int_0^{1-\varepsilon}\frac{\cos x}{x^4-1}\,dx +\int_{1+\varepsilon}^\infty\frac{\cos x}{x^4-1}\,dx\right],
limε0+[01εsin(x2π/4)x41dx+1+εsin(x2π/4)x41dx].\lim_{\varepsilon\to0^+}\left[ \int_0^{1-\varepsilon}\frac{\sin(x^2-\pi/4)}{x^4-1}\,dx +\int_{1+\varepsilon}^\infty\frac{\sin(x^2-\pi/4)}{x^4-1}\,dx\right].

Kai

I.

  1. 特異点は 1, (1+i3)/2, (1i3)/2\boxed{1,\ (-1+i\sqrt3)/2,\ (-1-i\sqrt3)/2} であり、すべて1位の極である。

  2. p0n=1p_0^n=1 より

Resp0fn=1np0n1=p0n.\boxed{\operatorname{Res}_{p_0}f_n=\frac1{np_0^{n-1}}=\frac{p_0}{n}}.
  1. 円内には nn 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=2πink=0n1e2πik/n=0.\boxed{\oint_Cf_n(z)\,dz=\frac{2\pi i}{n}\sum_{k=0}^{n-1}e^{2\pi ik/n}=0}.

II.

上半平面で経路を閉じ、時計回りの上半小円で z=1z=1 を避ける。大円弧の積分は零に、小円弧の積分は iπ/3-i\pi/3 に収束する。ω=(1+i3)/2\omega=(-1+i\sqrt3)/2 とおけば

PVdxx31iπ3=2πiω3.\operatorname{PV}\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{x^3-1} -\frac{i\pi}{3}=2\pi i\frac\omega3.

よって極限は π/3\boxed{-\pi/\sqrt3} である。

III.

F(z)=eiz/(z41)F(z)=e^{iz}/(z^4-1) に対して上半平面で経路を閉じ、実軸上の極 ±1\pm1 を上側から避ける。留数は

ResiF=ie14,Res1F+Res1F=eiei4=isin12.\operatorname{Res}_iF=\frac{ie^{-1}}4,\qquad \operatorname{Res}_1F+\operatorname{Res}_{-1}F =\frac{e^i-e^{-i}}4=\frac{i\sin1}{2}.

よって

PVF(x)dx=2πiResiF+iπ(Res1F+Res1F)=π2(e1+sin1).\operatorname{PV}\int_{-\infty}^\infty F(x)\,dx =2\pi i\operatorname{Res}_iF+i\pi(\operatorname{Res}_1F+\operatorname{Res}_{-1}F) =-\frac\pi2(e^{-1}+\sin1).

実部をとり、偶関数であることを用いると

π4(e1+sin1).\boxed{-\frac\pi4(e^{-1}+\sin1)}.

IV.

H(z)=eiz2iπ/4/(z41)H(z)=e^{iz^2-i\pi/4}/(z^4-1) とおき、0argzπ/40\le\arg z\le\pi/4 の扇形内で経路を閉じ、z=1z=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=et2t4+1dtH(e^{i\pi/4}t)e^{i\pi/4}\,dt=-\frac{e^{-t^2}}{t^4+1}\,dt

は実数となる。したがって

PV0H(x)dx=iπei(1π/4)40et2t4+1dt.\operatorname{PV}\int_0^\infty H(x)\,dx =i\pi\frac{e^{i(1-\pi/4)}}4-\int_0^\infty\frac{e^{-t^2}}{t^4+1}\,dt.

虚部をとると

π4cos(1π4)=π42(cos1+sin1).\boxed{\frac\pi4\cos\left(1-\frac\pi4\right) =\frac\pi{4\sqrt2}(\cos1+\sin1)}.