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東京大学 工学系研究科 2024年8月実施 数学 第1問

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

I. 次の微分方程式の一般解 y(x)y(x) を求めよ。

  1. y+yx=(yx)3\displaystyle y'+\frac yx=\left(\frac yx\right)^3
  2. y5y+6[y+cos(3x)]=0y''-5y'+6[y+\cos(3x)]=0

II. 原点を極、xx 軸の正の部分を始線とする極座標系で、曲線 CC

r=2+cosθ,0θ<2πr=2+\cos\theta,\qquad0\le\theta<2\pi

とする。

  1. CC が囲む領域の面積を求めよ。
  2. CC 上の点 (r,θ)=((4+2)/2,π/4)(r,\theta)=((4+\sqrt2)/2,\pi/4) における接線の、xyxy 直交座標系での傾きを求めよ。

题目描述

I. 求下列微分方程的一般解 y(x)y(x)

  1. y+yx=(yx)3\displaystyle y'+\frac yx=\left(\frac yx\right)^3
  2. y5y+6[y+cos(3x)]=0y''-5y'+6[y+\cos(3x)]=0

II. 在以原点为极点、xx 轴正半轴为始边的极坐标系中,曲线 CC

r=2+cosθ,0θ<2π.r=2+\cos\theta,\qquad0\le\theta<2\pi.
  1. CC 所围区域的面积。
  2. CC 上点 (r,θ)=((4+2)/2,π/4)(r,\theta)=((4+\sqrt2)/2,\pi/4) 处切线在 xyxy 坐标系中的斜率。

Kai

I.1

x0x\ne0 の区間で考える。y=0y=0 は解である。y0y\ne0 に対して v=y2v=y^{-2} とおくと、

v2xv=2x3,(vx2)=2x5.v'-\frac2xv=-\frac2{x^3},\qquad \left(\frac v{x^2}\right)'=-\frac2{x^5}.

積分して v=Cx2+1/(2x2)v=Cx^2+1/(2x^2) を得る。定数を取り直すと、

y=0またはy=±2x1+Cx4.\boxed{y=0\quad\text{または}\quad y=\pm\frac{\sqrt2\,x}{\sqrt{1+Cx^4}}}.

実数解は x0x\ne0 かつ 1+Cx4>01+Cx^4>0 の区間で符号を固定して考える。C=0C=0y=±2xy=\pm\sqrt2 x を含む。

I.2

同次方程式の特性方程式は (λ2)(λ3)=0(\lambda-2)(\lambda-3)=0 である。特解を Acos3x+Bsin3xA\cos3x+B\sin3x として係数を比較すると、

3A15B=6,15A3B=0.-3A-15B=-6,\qquad15A-3B=0.

よって

y=C1e2x+C2e3x+cos3x+5sin3x13.\boxed{y=C_1e^{2x}+C_2e^{3x}+\frac{\cos3x+5\sin3x}{13}}.

II.1

r1r\ge1 なので、囲まれる領域の面積は

S=1202π(2+cosθ)2dθ=9π2.\boxed{S=\frac12\int_0^{2\pi}(2+\cos\theta)^2\,d\theta=\frac{9\pi}{2}}.

II.2

x=rcosθ,y=rsinθ,r=sinθx=r\cos\theta,y=r\sin\theta,r'=-\sin\theta より、

dydx=rsinθ+rcosθrcosθrsinθ.\frac{dy}{dx}=\frac{r'\sin\theta+r\cos\theta}{r'\cos\theta-r\sin\theta}.

θ=π/4\theta=\pi/4 では x=12,y=2x'=-1-\sqrt2,y'=\sqrt2 なので、

dydx=212=22.\boxed{\frac{dy}{dx}=\frac{\sqrt2}{-1-\sqrt2}=\sqrt2-2}.