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東京大学 新領域創成科学研究科 複雑理工学専攻 2023年8月実施 専門基礎科目 1.1 微分積分

Author

犬 (finalized by 祭音Myyura with assistance from GPT 6 Astra)

Description

以下の問に答えよ。すべての定数と変数は実数、関数は実関数とする。ee は自然対数の底である。関数 g(x)g(x) の一階微分と二階微分を g(x),g(x)g'(x),g''(x) と表す。導出の過程を省略し、答えのみ示せ。(40分)

問1

関数 f(x)f(x) に関する以下の微分方程式の解を、与えられた初期条件の下で求めよ。

(1) f8f+16f=0,f(0)=1, f(0)=3f''-8f'+16f=0,\quad f(0)=1,\ f'(0)=3

(2) f+4f+13f=0,f(0)=1, f(0)=0f''+4f'+13f=0,\quad f(0)=1,\ f'(0)=0

(3) f+4f+13f=40sinx,f(0)=0, f(0)=4f''+4f'+13f=40\sin x,\quad f(0)=0,\ f'(0)=4

問2

xyzxyz 直交座標系において z=xex2y2z=xe^{-x^2-y^2} で表される曲面 CC を考える。

(1) 曲面 CC 上の点 A(x0,y0,z0)A(x_0,y_0,z_0) において zz は最大値 z0z_0 をとる。x0,y0,z0x_0,y_0,z_0 を求めよ。

(2) 曲面 CC 上の点 B(1,1,z1)B(1,1,z_1) を考える。z1z_1BB における接平面の方程式を求めよ。

問3

xyxy 直交座標系において領域 R={(x,y)x2+y21, x0, y0}R=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le1,\ x\ge0,\ y\ge0\} を定義する。

(1) Rx2y2dxdy\iint_R x^2y^2\,dx\,dy を求めよ。

(2) R(x+y)2dxdy\iint_R(x+y)^2\,dx\,dy を求めよ。

問4

エルミート多項式 Hn(x)H_n(x)

Hn(x)=(1)nex2dndxnex2H_n(x)=(-1)^ne^{x^2}\frac{d^n}{dx^n}e^{-x^2}

で定義される。nn は非負整数であり、H0(x)=1H_0(x)=1 である。これらの多項式は

Hn(x)2xHn(x)+2nHn(x)=0H_n''(x)-2xH_n'(x)+2nH_n(x)=0

を満たす。また、非負整数 mm に対して

Hm(x)Hn(x)ex2dx=π2nn!δm,n\int_{-\infty}^{\infty}H_m(x)H_n(x)e^{-x^2}\,dx =\sqrt\pi\,2^nn!\delta_{m,n}

が成り立つ。δm,n\delta_{m,n}m=nm=n11、それ以外で 00 となるクロネッカーのデルタであり、0!=10!=1 とする。

(1) H1(x)H_1(x)xx の多項式で表せ。

(2) Hn(x)H_n(x) を微分し、Hn+1(x)H_{n+1}(x)x,Hn(x),Hn(x)x,H_n(x),H_n'(x) を用いて表せ。

(3) n1n\ge1 に対して Hn(x)H_n'(x)n,Hn1(x)n,H_{n-1}(x) を用いて表せ。

(4) n1n\ge1 に対して Hn+1(x)H_{n+1}(x)x,n,Hn(x),Hn1(x)x,n,H_n(x),H_{n-1}(x) を用いて表せ。

(5) n1n\ge1 に対して xHm(x)Hn(x)ex2dx\int_{-\infty}^{\infty}xH_m(x)H_n(x)e^{-x^2}\,dx を計算せよ。

题目描述

所有常数、变量均为实数,函数均为实函数。ee 为自然对数的底;g,gg',g'' 分别表示一阶、二阶导数。省略推导,只写答案。(40分钟)

问1 在给定初始条件下解微分方程:

(1) f8f+16f=0, f(0)=1, f(0)=3f''-8f'+16f=0,\ f(0)=1,\ f'(0)=3

(2) f+4f+13f=0, f(0)=1, f(0)=0f''+4f'+13f=0,\ f(0)=1,\ f'(0)=0

(3) f+4f+13f=40sinx, f(0)=0, f(0)=4f''+4f'+13f=40\sin x,\ f(0)=0,\ f'(0)=4

问2 曲面 CCz=xex2y2z=xe^{-x^2-y^2} 定义。(1) 求使 zz 达到最大值的点 A(x0,y0,z0)A(x_0,y_0,z_0);(2) 对曲面上的点 B(1,1,z1)B(1,1,z_1),求 z1z_1 和该点处的切平面方程。

问3 设 R={(x,y)x2+y21, x,y0}R=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le1,\ x,y\ge0\}。求 (1) Rx2y2dxdy\iint_Rx^2y^2\,dx\,dy;(2) R(x+y)2dxdy\iint_R(x+y)^2\,dx\,dy

问4 Hermite 多项式定义为

Hn(x)=(1)nex2dndxnex2,n0,H0=1.H_n(x)=(-1)^ne^{x^2}\frac{d^n}{dx^n}e^{-x^2},\qquad n\ge0,\quad H_0=1.

已知

Hn2xHn+2nHn=0,HmHnex2dx=π2nn!δm,n.H_n''-2xH_n'+2nH_n=0,\qquad \int_{-\infty}^{\infty}H_mH_ne^{-x^2}\,dx=\sqrt\pi\,2^nn!\delta_{m,n}.

这里 mm 为非负整数,δm,n\delta_{m,n}m=nm=n 时为 11,否则为 00,且 0!=10!=1

(1) 求 H1H_1;(2) 通过微分,将 Hn+1H_{n+1}x,Hn,Hnx,H_n,H_n' 表示;(3) 当 n1n\ge1 时,将 HnH_n'n,Hn1n,H_{n-1} 表示;(4) 当 n1n\ge1 时,将 Hn+1H_{n+1}x,n,Hn,Hn1x,n,H_n,H_{n-1} 表示;(5) 当 n1n\ge1 时,求 xHmHnex2dx\int_{-\infty}^{\infty}xH_mH_ne^{-x^2}\,dx

Kai

問1

(1)f(x)=(1x)e4x,(2)f(x)=e2x(cos3x+23sin3x),(3)f(x)=e2x(cos3x+sin3x)+3sinxcosx.\begin{aligned} \text{(1)}\quad &f(x)=(1-x)e^{4x},\\ \text{(2)}\quad &f(x)=e^{-2x}\left(\cos3x+\frac23\sin3x\right),\\ \text{(3)}\quad &f(x)=e^{-2x}(\cos3x+\sin3x)+3\sin x-\cos x. \end{aligned}

問2

(1)(x0,y0,z0)=(12,0,12e).\text{(1)}\quad (x_0,y_0,z_0)=\left(\frac1{\sqrt2},0,\frac1{\sqrt{2e}}\right).
(2)z1=e2,x+2y+e2z=4.\text{(2)}\quad z_1=e^{-2},\qquad x+2y+e^2z=4.

問3

(1)π96,(2)π+28.\text{(1)}\quad \frac{\pi}{96},\qquad \text{(2)}\quad \frac{\pi+2}{8}.

問4

(1)H1(x)=2x,(2)Hn+1(x)=2xHn(x)Hn(x),(3)Hn(x)=2nHn1(x),(4)Hn+1(x)=2xHn(x)2nHn1(x).\begin{aligned} \text{(1)}\quad&H_1(x)=2x,\\ \text{(2)}\quad&H_{n+1}(x)=2xH_n(x)-H_n'(x),\\ \text{(3)}\quad&H_n'(x)=2nH_{n-1}(x),\\ \text{(4)}\quad&H_{n+1}(x)=2xH_n(x)-2nH_{n-1}(x). \end{aligned}
(5)xHm(x)Hn(x)ex2dx=π[2n(n+1)!δm,n+1+2n1n!δm,n1].\text{(5)}\quad \int_{-\infty}^{\infty}xH_m(x)H_n(x)e^{-x^2}\,dx =\sqrt\pi\left[2^n(n+1)!\delta_{m,n+1} +2^{n-1}n!\delta_{m,n-1}\right].