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) を求めよ。
- y′+xy=(xy)3。
- y′′−5y′+6[y+cos(3x)]=0。
II. 原点を極、x 軸の正の部分を始線とする極座標系で、曲線 C を
r=2+cosθ,0≤θ<2π
とする。
- C が囲む領域の面積を求めよ。
- C 上の点 (r,θ)=((4+2)/2,π/4) における接線の、xy 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′+xy=(xy)3。
- y′′−5y′+6[y+cos(3x)]=0。
II. 在以原点为极点、x 轴正半轴为始边的极坐标系中,曲线 C 为
r=2+cosθ,0≤θ<2π.
- 求 C 所围区域的面积。
- 求 C 上点 (r,θ)=((4+2)/2,π/4) 处切线在 xy 坐标系中的斜率。
Kai
I.1
x=0 の区間で考える。y=0 は解である。y=0 に対して v=y−2 とおくと、
v′−x2v=−x32,(x2v)′=−x52.
積分して v=Cx2+1/(2x2) を得る。定数を取り直すと、
y=0またはy=±1+Cx42x.
実数解は x=0 かつ 1+Cx4>0 の区間で符号を固定して考える。C=0 は y=±2x を含む。
I.2
同次方程式の特性方程式は (λ−2)(λ−3)=0 である。特解を Acos3x+Bsin3x として係数を比較すると、
−3A−15B=−6,15A−3B=0.
よって
y=C1e2x+C2e3x+13cos3x+5sin3x.
II.1
r≥1 なので、囲まれる領域の面積は
S=21∫02π(2+cosθ)2dθ=29π.
II.2
x=rcosθ,y=rsinθ,r′=−sinθ より、
dxdy=r′cosθ−rsinθr′sinθ+rcosθ.
θ=π/4 では x′=−1−2,y′=2 なので、
dxdy=−1−22=2−2.