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神戸大学 理学研究科 数学専攻 2022年8月実施 数学 I 問題 1.

Author

Miyake

Description

\(\mathbb{R}\) 上の3次元線形空間 \(V\) を高々2次の実数係数多項式からなる集合, つまり

\[ V = \{ax^2 + bx + c \mid a,b,c \in \mathbb{R}\} \]

で定める. また, \(V\) から \(V\) への線形写像 \(I\) を次が成り立つように定める.

\[ I(f) = x^{-1} \left( \int_0^x f(y+1)\ dy \right), \quad f \in V \]

(1) \(I(x^2), I(x), I(1)\) を求めよ.

(2) 基底 \(x^2, x, 1\) に関する \(I\) の表現行列を求めよ.

(3) \(I(f) = tf\) となる \(t \in \mathbb{R}\)\(0 \neq f \in V\) を全て求めよ.

(4) 正の整数 \(n\) に対し, \(I^n (x^2 + x + 1)\) を求めよ. ただし, \(I^n\)\(I\)\(n\) 回合成をあらわす.

Kai

(1)

\[ \begin{aligned} I(1) &= x^{-1} \int_0^x dy \\ &= 1 \\ I(x) &= x^{-1} \int_0^x (y+1) dy \\ &= x^{-1} \left( \frac{x^2}{2} + x \right) \\ &= \frac{1}{2} x + 1 \\ I(x^2) &= x^{-1} \int_0^x (y+1)^2 dy \\ &= x^{-1} \int_0^x (y^2+2y+1) dy \\ &= \frac{1}{3} x^2 + x + 1 \end{aligned} \]

(2)

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} I(x^2) & I(x) & I(1) \end{pmatrix} &= \begin{pmatrix} \frac{1}{3} x^2 + x + 1 & \frac{1}{2} x + 1 & 1 \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} x^2 & x & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \frac{1}{3} & 0 & 0 \\ 1 & \frac{1}{2} & 0 \\ 1 & 1 & 1 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

なので、求める表現行列は

\[ \begin{aligned} \begin{pmatrix} \frac{1}{3} & 0 & 0 \\ 1 & \frac{1}{2} & 0 \\ 1 & 1 & 1 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

である。

(3)

\[ \begin{aligned} t &= \frac{1}{3} , \ \ f(x) = s(2x^2-12x+15) \ \ \ \ ( s \text{ は $0$ でない任意の実数 } ) \\ t &= \frac{1}{2} , \ \ f(x) = s(-x+2) \ \ \ \ ( s \text{ は $0$ でない任意の実数 } ) \\ t &= 1 , \ \ f(x) = s \ \ \ \ ( s \text{ は $0$ でない任意の実数 } ) \end{aligned} \]

(4)

\[ \begin{aligned} I^n(x^2+x+1) &= 3^{-n} x^2 + \left( -6 \cdot 3^{-n} + 7 \cdot 2^{-n} \right) x + \left( \frac{15}{2} \cdot 3^{-n} - 14 \cdot 2^{-n} + \frac{15}{2} \right) \end{aligned} \]