広島大学 大学院 先進理工系科学研究科
輸送・環境システムプログラム
2022年8月実施 専門科目I 数学 問題1

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(1)

$$\begin{align} \int x^3 \log 3x dx &= \frac{1}{4} x^4 \log 3x - \frac{1}{4} \int x^3 dx \\ &= \frac{1}{4} x^4 \log 3x - \frac{1}{16} x^4 + C \ \ \ \ \ \ \ \ ( C \text{ は積分定数 } ) \end{align}$$

(2)

$$\begin{align} \int_0^\infty x^2 e^{-2x} dx &= - \frac{1}{2} \left[ x^2 e^{-2x} \right]_0^\infty + \int_0^\infty x e^{-2x} dx \\ &= - \frac{1}{2} \left[ x e^{-2x} \right]_0^\infty + \frac{1}{2} \int_0^\infty e^{-2x} dx \\ &= - \frac{1}{4} \left[ e^{-2x} \right]_0^\infty \\ &= \frac{1}{4} \end{align}$$

(3)

$$\begin{align} f(x,y) &= \log \sqrt{x^2+y^2} \\ &= \frac{1}{2} \log \left( x^2 + y^2 \right) \\ \frac{\partial f(x,y)}{\partial x} &= \frac{1}{2} \frac{2x}{x^2 + y^2} \\ &= \frac{x}{x^2 + y^2} \\ \frac{\partial^2 f(x,y)}{\partial^2 x} &= \frac{\left( x^2 + y^2 \right) - x \cdot 2x}{\left( x^2 + y^2 \right)^2} \\ &= \frac{-x^2 + y^2}{\left( x^2 + y^2 \right)^2} \\ \frac{\partial^2 f(x,y)}{\partial^2 y} &= \frac{x^2 - y^2}{\left( x^2 + y^2 \right)^2} \\ \therefore \ \ \frac{\partial^2 f(x,y)}{\partial^2 x} + \frac{\partial^2 f(x,y)}{\partial^2 y} &= 0 \end{align}$$

(4)

まず、与えられた微分方程式に $y=Ax+B$ （ $A,B$ は $x$ によらない定数）を代入すると、 $$\begin{align} A &= 3 + x + Ax + B \therefore \ \ A = -1, B = -4 \end{align}$$ となるので、 $$\begin{align} y = -x-4 \end{align}$$ は特殊解である。 また、 $$\begin{align} \frac{dy}{dx} = y \end{align}$$ を考えると、これの一般解は $$\begin{align} y = Ce^x \ \ \ \ \ \ \ \ ( C \text{ は積分定数 } ) \end{align}$$ である。 よって、与えられた微分方程式の一般解は $$\begin{align} y = Ce^x - x - 4 \ \ \ \ \ \ \ \ ( C \text{ は積分定数 } ) \end{align}$$ である。