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東京大学 工学系研究科 2023年8月実施 数学 第1問

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

I. 微分方程式 y′=y(1−y)y'=y(1-y) の一般解 y(x)y(x) を求めよ。ただし 0<y<10<y<1 とする。

II. 定積分

I=∫−11arccos⁡(x/2)cos⁡2(πx/3) dxI=\int_{-1}^{1}\frac{\arccos(x/2)}{\cos^2(\pi x/3)}\,dx

を求めよ。ただし 0≤arccos⁡(x/2)≤π0\le\arccos(x/2)\le\pi とする。

III. 正の実変数 xx に対する実数値関数を

f(x)=∑m=0∞x2m(2m)!,g(x)=f′(x)f(x)=\sum_{m=0}^{\infty}\frac{x^{2m}}{(2m)!},\qquad g(x)=f'(x)

とする。非負整数 nn に対して

In(x)=∫0x(g(X)f(X))n dXI_n(x)=\int_0^x\left(\frac{g(X)}{f(X)}\right)^n\,dX

と定義する。ex=∑m=0∞xm/m!e^x=\sum_{m=0}^{\infty}x^m/m! を用いてよい。

  1. f(x)2−g(x)2f(x)^2-g(x)^2 を求めよ。
  2. In+2(x)I_{n+2}(x) を In(x)I_n(x) を用いて表せ。

题目描述​

I. 求微分方程 y′=y(1−y)y'=y(1-y) 在 0<y<10<y<1 条件下的一般解。

II. 计算

I=∫−11arccos⁡(x/2)cos⁡2(πx/3) dx,I=\int_{-1}^{1}\frac{\arccos(x/2)}{\cos^2(\pi x/3)}\,dx,

其中 0≤arccos⁡(x/2)≤π0\le\arccos(x/2)\le\pi。

III. 对 x>0x>0 定义

f(x)=∑m=0∞x2m(2m)!,g(x)=f′(x),In(x)=∫0x(g(X)f(X))n dX(n≥0).f(x)=\sum_{m=0}^{\infty}\frac{x^{2m}}{(2m)!},\qquad g(x)=f'(x),\qquad I_n(x)=\int_0^x\left(\frac{g(X)}{f(X)}\right)^n\,dX\quad(n\ge0).

可使用 ex=∑m=0∞xm/m!e^x=\sum_{m=0}^{\infty}x^m/m!。

  1. 求 f(x)2−g(x)2f(x)^2-g(x)^2。
  2. 用 In(x)I_n(x) 表示 In+2(x)I_{n+2}(x)。

Kai​

I​

変数分離して積分すると、

log⁡y1−y=x+c.\log\frac{y}{1-y}=x+c.

0<y<10<y<1 より、

y(x)=11+Ce−x,C>0.\boxed{y(x)=\frac1{1+Ce^{-x}},\qquad C>0}.

II​

arccos⁡(−x/2)=π−arccos⁡(x/2)\arccos(-x/2)=\pi-\arccos(x/2) と分母の偶性から、

I=π∫01sec⁡2πx3 dx=3[tan⁡πx3]01=33.I=\pi\int_0^1\sec^2\frac{\pi x}{3}\,dx =3\left[\tan\frac{\pi x}{3}\right]_0^1 =\boxed{3\sqrt3}.

III​

指数関数の偶数次・奇数次の項をそれぞれ集めると、

f(x)=ex+e−x2=cosh⁡x,g(x)=ex−e−x2=sinh⁡x.f(x)=\frac{e^x+e^{-x}}2=\cosh x,\qquad g(x)=\frac{e^x-e^{-x}}2=\sinh x.

したがって

f2−g2=1.\boxed{f^2-g^2=1}.

h=g/fh=g/f とおけば、h(0)=0h(0)=0、h′=1−h2h'=1-h^2 である。したがって

In−In+2=∫0xh(X)nh′(X) dX=h(x)n+1n+1.I_n-I_{n+2}=\int_0^xh(X)^nh'(X)\,dX=\frac{h(x)^{n+1}}{n+1}.

よって

In+2(x)=In(x)−1n+1(g(x)f(x))n+1.\boxed{I_{n+2}(x)=I_n(x)-\frac1{n+1}\left(\frac{g(x)}{f(x)}\right)^{n+1}}.