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2023阿里巴巴全球數(shù)學競賽預選賽題/決賽部分題個人解 (四)

2023-06-25 19:20 作者:saqatl  | 我要投稿

分析題 3.?是否存在?%5Cmathbb%7BC%7D?上的全純函數(shù)?f?使得對任意?z%20%5Cin%20%5Cmathbb%7BC%7D?都有?f%5E%7B(2023)%7D(z)%20%3D%20e%5E%7B2023z%7D?其中?f%5E%7B(n)%7D(x)?表示?f(x)?的?n?次迭代。

假設這樣的?f?存在,首先證明對任意?k%20%5Cin%20%5C%7B1%2C2%2C%5Cldots%2C2023%5C%7D,f%5E%7B(k)%7D(z)?可以取到?%5Cmathbb%7BC%7D%20%5Cbackslash%20%5C%7B0%5C%7D?的所有數(shù)。一方面,f?一定不能取到全體復數(shù):若?f(%5Cmathbb%7BC%7D)%20%3D%20%5Cmathbb%7BC%7D,則?f%5E%7B(2023)%7D(%5Cmathbb%7BC%7D)%20%3D%20%5Cmathbb%7BC%7D,但?f%5E%7B(2023)%7D(z)%20%5Cne%200,矛盾。另一方面,如果?f?取不到?%5Cmathbb%7BC%7D?中的兩個點,則根據(jù)?%5Cmathrm%7BPicard%7D?小定理,f?則為常數(shù),從而?f%5E%7B(2023)%7D?也是常數(shù),矛盾。因此?f?僅恰好取不到?0。同理,對各?f%5E%7B(k)%7D?使用?%5Cmathrm%7BPicard%7D?小定理即得到對任意?k%20%5Cin%20%5C%7B1%2C2%2C%5Cldots%2C2023%5C%7D,f%5E%7B(k)%7D?均僅取不到?0

因此,存在全純函數(shù)?h?使得?f%20%3D%20e%5Eh。則?f%5E%7B(2023)%7D(z)%20%3D%20e%5E%7Bh(f%5E%7B(2022)%7D(z))%7D%20%3D%20e%5E%7B2023z%7D,故存在?C%20%3D%202%5Cpi%20ik?使得?h(f%5E%7B(2022)%7D(z))%20%3D%202023z%20%2B%20C,因此?h(%5Cmathbb%7BC%7D)%20%3D%20%5Cmathbb%7BC%7D。故存在?m%2Cn%20%5Cin%20%5Cmathbb%7BN%7D?使得?h(0)%20%5Cne%202m%5Cpi%20i%2C%202n%5Cpi%20i?以及存在?w_1%20%5Cne%20w_2?使得?h(w_1)%20%3D%202m%5Cpi%20i%2C%20h(w_2)%20%3D%202n%5Cpi%20i。并且由于?w_1%2C%20w_2%20%5Cne%200,存在?z_1%20%5Cne%20z_2?使得?f%5E%7B(2021)%7D(z_1)%20%3D%20w_1%2C%20f%5E%7B(2021)%7D(z_2)%20%3D%20w_2

此時

%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%092023z_1%20%2B%20C%20%3D%20h(f%5E%7B(2022)%7D(z_1))%20%3D%20h(e%5E%7Bh(f%5E%7B(2021)%7D(z_1))%7D)%20%3D%20h(e%5E%7Bh(w_1)%7D)%20%3D%20h(e%5E%7B2m%5Cpi%20i%7D)%20%3D%20h(1)%5C%5C%0A%092023z_2%20%2B%20C%20%3D%20h(f%5E%7B(2022)%7D(z_2))%20%3D%20h(e%5E%7Bh(f%5E%7B(2021)%7D(z_2))%7D)%20%3D%20h(e%5E%7Bh(w_2)%7D)%20%3D%20h(e%5E%7B2n%5Cpi%20i%7D)%20%3D%20h(1)%0A%5Cend%7Baligned%7D

由此得z_1%20%3D%20z_2,矛盾。故這樣的?f?不存在。

應用與計算數(shù)學題 1.?%5Cmathrm%7BGauss-Seidel%7D?迭代

考慮線性方程組?Ax%20%3D%20b,其中?A%20%3D%20(A_%7Bij%7D)%20%5Cin%20%5Cmathbb%7BR%7D%5E%7Bn%20%5Ctimes%20n%7D?對稱半正定且對角元都是正數(shù),b%20%3D%20(b_i)%20%5Cin%20%5Cmathbb%7BR%7D%5En。假設該方程組有解,%5Cmathrm%7BGauss-Seidel%7D?迭代的求解格式為

x_i%5E%7B(k%2B1)%7D%20%3A%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7BA_%7Bii%7D%7D%20%5Cleft(b_i%20-%20%5Csum%5Climits_%7Bj%3D1%7D%5E%7Bi-1%7D%20A_%7Bij%7D%20x_j%5E%7B(k%2B1)%7D%20-%20%5Csum%5Climits_%7Bj%3Di%2B1%7D%5E%7Bn%7D%20A_%7Bij%7Dx_j%5E%7B(k)%7D%5Cright)%2C%20%5C%20i%20%3D%201%2C%20%5Cldots%2C%20n%2C%20%5C%20k%20%5Cin%20%5Cmathbb%7BN%7D

(a) 證明:%5Cmathrm%7BGauss-Seidel%7D?迭代從任意初始點出發(fā)都收斂。

(b) 若?A?的秩為 1,證明從任意初始點出發(fā),%5Cmathrm%7BGauss-Seidel%7D?迭代一步即可收斂。

(a) 直接寫?Golob 書上的證明。

即驗證?G_%7BGS%7D%20%3D%20-(D_A%20%2B%20L_A)%5E%7B-1%7D%20L_A%5ET?的特征值均在單位圓內。該矩陣與

G%20%3D%20D_A%5E%7B1%2F2%7D%20G_%7BGS%7D%20D_A%5E%7B-1%2F2%7D%20%3D%20-(I%20%2B%20L)%5E%7B-1%7D%20L%5ET%2C%20%5Cquad%20L%20%3D%20D_A%5E%7B-1%2F2%7D%20L_A%20D_A%5E%7B-1%2F2%7D

的特征值相同??紤]

-(I%20%2B%20L)%5E%7B-1%7D%20L%5ET%20v%20%3D%20%5Clambda%20v%2C%20%5Cquad%20v%5E%7BH%7Dv%20%3D%201

則?-v%5EH%20L%5EH%20v%20%3D%20%5Clambda(1%20%2B%20v%5EH%20%20Lv)。若?v%5EH%20%20Lv%20%3D%20a%20%2B%20bi,則可以算得

%7C%5Clambda%7C%5E2%20%3D%20%5Cleft%7C%5Cfrac%7B-a%20%2B%20bi%7D%7B1%20%2B%20a%20%2B%20bi%7D%5Cright%7C%20%3D%20%5Cfrac%7Ba%5E2%20%2B%20b%5E2%7D%7B1%20%2B%202a%20%2B%20a%5E2%20%2B%20b%5E2%7D

然而由于?D_A%5E%7B-1%2F2%7D%20A%20D_A%5E%7B-1%2F2%7D%20%3D%201%20%2B%20L%20%2B%20L%5ET?正定,故?0%20%3C%201%20%2B%20v%5EH%20Lv%20%2B%20v%5EH%20L%5ET%20v%20%3D%201%20%2B%202a。因此?%7C%5Clambda%7C%20%3C%201。

(b) 由題意可設?A%20%3D%20cww%5EH,通過計算不難得到當?i%20%5Cge%202%2C%20n%20%5Cge%201?時

x_i%5E%7B(n)%7D%20%3D%20x_i%5E%7B(n-1)%7D%20%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bcw_i%5E2%7D%20%5Cleft(nb_i%20-%20%5Cfrac%7Bw_i%7D%7Bw_%7Bi-1%7D%7Db_%7Bi-1%7D%5Cright)

自然如此迭代一步即可收斂。


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