早稲田大学 創造理工学研究科 経営システム工学専攻 2021年7月実施 数理基礎 問題A
Author
思齐塾, 祭音Myyura
Description
日本語
小問A2
マクローリン展開 (Maclaurin series)
f(x)=f(0)+1!f′(0)x+2!f′′(0)x2+3!f′′′(0)x3+…
を用いて、次の極限 (limit) を求めよ。
x→0limx31{loge(1+sinx)−x+2x2}
小問A3
z=f(r),r=x2+y2 とするとき,
∂x2∂2z+∂y2∂2z=0
を満たすような関数 (function) f(r) を求めよ。
题目描述
小问A2
使用麦克劳林展开
f(x)=f(0)+1!f′(0)x+2!f′′(0)x2+3!f′′′(0)x3+⋯
求极限
x→0limx31{loge(1+sinx)−x+2x2}.
小问A3
设
z=f(r),r=x2+y2.
求使
∂x2∂2z+∂y2∂2z=0
成立的函数 f(r)。原题未说明区域是否包含 r=0,也未给出原点处的光滑性要求;因此应先求 r>0 上的径向通解,并另行说明若要求 z 在原点也为 C2 调和函数时所受的限制。
Kai
小問A2
Let f(x)=loge(1+sinx) .
Using Maclaurin series expansion:
sinx=x−3!x3+5!x5−…
loge(1+x)=x−2x2+3x3−4x4+…
Therefore,
loge(1+sinx)=sinx−2(sinx)2+3(sinx)3−…
loge(1+sinx)=(x−6x3+…)−21(x−6x3+…)2+31(x−6x3+…)3−…
loge(1+sinx)=x−6x3−21(x2−3x4+…)+31(x3−…)−…
loge(1+sinx)=x−2x2−6x3+3x3+O(x4)=x−2x2+6x3+O(x4)
loge(1+sinx)−x+2x2=x−2x2+6x3−x+2x2+O(x4)=6x3+O(x4)
x→0limx31{loge(1+sinx)−x+2x2}=x→0limx31(6x3+O(x4))=61
小問A3
We are given that z=f(r) and r=x2+y2 . We want to find f(r) such that ∂x2∂2z+∂y2∂2z=0 .
First, we find the first partial derivatives:
∂x∂z=drdf∂x∂r=f′(r)x2+y2x=f′(r)rx
∂y∂z=drdf∂y∂r=f′(r)x2+y2y=f′(r)ry
Next, we find the second partial derivatives:
∂x2∂2z=∂x∂(f′(r)rx)=f′′(r)rxrx+f′(r)r2r−x(rx)=f′′(r)r2x2+f′(r)r3r2−x2=f′′(r)r2x2+f′(r)r3y2
∂y2∂2z=∂y∂(f′(r)ry)=f′′(r)ryry+f′(r)r2r−y(ry)=f′′(r)r2y2+f′(r)r3r2−y2=f′′(r)r2y2+f′(r)r3x2
Now, we add the second partial derivatives:
∂x2∂2z+∂y2∂2z=f′′(r)r2x2+f′(r)r3y2+f′′(r)r2y2+f′(r)r3x2=f′′(r)r2x2+y2+f′(r)r3x2+y2=f′′(r)r2r2+f′(r)r3r2=f′′(r)+rf′(r)
We are given that this sum equals 0, so we have:
f′′(r)+rf′(r)=0
Let g(r)=f′(r) . Then g′(r)=f′′(r) , so we have:
g′(r)+rg(r)=0
drdg=−rg
gdg=−rdr
Integrating both sides, we get:
∫gdg=−∫rdr
ln∣g∣=−ln∣r∣+C1
g(r)=e−ln∣r∣+C1=eC1e−ln∣r∣=rC
So f′(r)=rC . Integrating again, we get:
f(r)=∫rCdr=Cln∣r∣+C2
Thus, r>0 では
f(r)=Alnr+B
where A and B are constants. ただし原点 r=0 まで含む領域で z=f(r) が C2 級かつ調和であることを要求する場合、 lnr は原点で発散するため A=0 でなければならず、解は定数関数 f(r)=B に限られる。