[家里蹲大学数学杂志]第034期中山大学2008年数学分析考研试题参考解答

简介: 1  (每小题6分,共48分)  (1) 求limx0+xx; 解答:  $$\begin{eqnarray*}\textrm{ 原式} & = & \lim\limits_{x \to 0+}e^{x\ln x} = \lim\limits_{x \to ...

1  (每小题6分,共48分)

 (1) 求limx0+xx;

解答:   原式=limx0+exlnx=limx0+elnx1/x=elimx0+lnx1/xLHospital=elimx0+1/x1/x2=elimx0+x=e0=1.

 

(2) 求xsinx\rdx;

解答:    原式t=x=2t2sint\rdt=2t2\rd(cost)=2t2cost+4tcost\rdt=2t2cost+4t\rd(sint)=2t2cost+4tsint4sint\rdt=2t2cost+4tsint+4cost+C=2xcosx+4xsinx+4cosx+C(其中C是任意常数).

 (3) 求e1\rdxx(2+ln2x);

解答:   原式t=lnx=10\rdt2+t2=1210\rdt1+t22=2210\rd(t2)1+(t2)2=22arctan(t2)|10=22arctan22.

 

(4) 求+0xex(1+ex)2\rdx;

解答:    原式=+0xex(ex+1)2\rdx=+0x\rd(1ex+1)=x1ex+1|+0++01ex+1\rdx=limx+xex+1++01ex+1\rdxLHospital=limx+1ex++01ex+1\rdx=+01ex+1\rdxex=t=+11t(t+1)\rdt=+1(1t1t+1)\rdt=[lntln(t+1)]|+1=ln(tt+1)|+1=limt+ln(tt+1)ln12=ln2.

 

(5) 方程z=f(x,xy)+φ(y+z)确定函数z=z(x,y), 求全微分\rdz;

解答: 在方程z=f(x,xy)+φ(y+z)左右两边分别关于x,y求偏导,可得 zx=f1(x,xy)+yf2(x,xy)+φ(y+z)zxzx=f1(x,xy)+yf2(x,xy)1φ(y+z),

zy=xf2(x,xy)+φ(y+z)(1+zy)zy=xf2(x,xy)+φ(y+z)1φ(y+z),
从而全微分\rdz=f1(x,xy)+yf2(x,xy)1φ(y+z)\rdx+xf2(x,xy)+φ(y+z)1φ(y+z)\rdy.
 

(6) 求曲线y2=x2(4x)所围图形的面积;

解答: 由分析可知,曲线y2=x2(4x)关于x轴对称;又由于x4,y(0)=y(4)=0,x0时,y(x)单调递减且limxy(x)=+,故所求面积  S=240x2(4x)\rdx=240x4x\rdx4x=t=420(4t2)t2\rdt=4(43t315t5)|20=25615.

 

(7) 计算二重积分D(x2a2+y2b2)\rdx\rdy,其中D={(x,y)|x2+y21};

解答:    原式x=ρcosθ,y=ρsinθ=102π0(ρ2cos2θa2+ρ2sin2θb2)ρ\rdρ\rd=10ρ3\rdρ2π0(ρ2cos2θa2+ρ2sin2θb2)\rd=14ρ4|102π0(1+cos2θ2a2+1cos2θ2b2)\rd=14[(12a2+12b2)θ+12(12a212b2)sin2θ]|2π0=π4(1a2+1b2).

 

(8) 判别级数n=1un的敛散性,其中un=1!+2!+3!++n!(2n)!,n=1,2,.

解答: 方法一:由于un=1!+2!+3!++n!(2n)!nn!(2n)!<nn!n!nnn=1n2,

而级数n=11n2 收敛,因而由正项级数的比较原则可知,级数n=1un收敛.

方法二: limnun+1un=1!+2!+3!++n!+(n+1)!(2(n+1))!(2n)!1!+2!+3!++n!=limn1!+2!+3!++n!+(n+1)!(2n+1)(2n+2)(1!+2!+3!++n!)=limn1!+2!+3!++n!(2n+1)(2n+2)(1!+2!+3!++n!)+limn(n+1)!(2n+1)(2n+2)(1!+2!+3!++n!)=limn1(2n+1)(2n+2)+limnn!2(2n+1)(1!+2!+3!++n!)=0+0=0<1,

因而由正项级数的d'Alembert判别法或比式判别法可知,级数n=1un收敛.

注记: 由于 0n!2(2n+1)(1!+2!+3!++n!)<n!2(2n+1)(n!)=12(2n+1)0,(n),

因此,由夹逼准则可知limnn!2(2n+1)(1!+2!+3!++n!)=0.

 

2 (16分) 求函数f(x)=|x|e|x1|的导函数,以及函数f(x)的极值.

解答: 由题意可知

1) 当x<0时,此时f(x)=xex1, 从而f(x)=ex1xex1=(x+1)ex1;

2) 当0<x<1时,此时f(x)=xex1, 从而f(x)=ex1+xex1=(x+1)ex1;

3) 当x>1时,此时f(x)=xe(x1), 从而f(x)=e(x1)xe(x1)=(1x)e1x;

4) 当x=1时,此时f+(1)=limx1+f(x)f(1)x1=limx1+xe(x1)1x1=limx1+(1x)e1x1=0,

f(1)=limx1f(x)f(1)x1=limx1xe(x1)1x1=limx1(x+1)ex11=2,
从而f(1)f+(1),f(x)x=1时导数不存在;

5) 当x=0时,此时f+(0)=limx0+f(x)f(0)x0=limx0+xe(x1)0x0=limx0+ex1=e1,

f(0)=limx0f(x)f(0)x0=limx0xe(x1)0x0=limx0ex1=e1,
从而f(0)f+(0),f(x)x=0时导数不存在;

综上可知,所求f(x)的导函数为f(x)={(1x)e1x,x>1不存在,x=1(x+1)ex1,0<x<1不存在,x=0(x+1)ex1,x<0; 1, x>1,f(x)<0, 0<x<1,f(x)>0 f(x)x=1处取得极大值f(1)=1; 2, 0<x<1,f(x)>0, 1<x<0,f(x)<0 f(x)x=0处取得极小值f(0)=0;  3, 1<x<0,f(x)<0, x<1,f(x)>0 f(x)x=1处取得极大值f(1)=e2;

 综上可知,f(x)的极大值为1和e2, 极小值为0.

 

3 (10分) 设f(x)[0,1]上有一阶连续导数,且f(0)=f(1)=0,M=max0x1|f(x)|, 求证:|10f(x)\rdx|14M.

证明:

方法一: |10f(x)\rdx||120f(x)\rdx|+|112f(x)\rdx|=|120[f(x)f(0)]\rdx|+|112[f(x)f(1)]\rdx|=|120f(ξ)(x0)\rdx|+|112f(η)(x1)\rdx|120|f(ξ)(x0)|\rdx+112|f(η)(x1)|\rdxM120x\rdx+M112(1x)\rdx=Mx22|120+M(xx22)|112=14M,(其中ξ(0,12),η(12,1)).

方法二: |10f(x)\rdx|t=x12=|1212f(t+12)\rdt| 分步积分=|tf(t+12)|12121212tf(t+12)\rdt|=|1212tf(t+12)\rdt|1212|tf(t+12)|\rdtM1212|t|\rdt=2M120|t|\rdt=2M120t\rdt=2Mt22|120=14M.

 

4 (18分) 设函数f(x,y)={xy+(xy)2(x2+y2)3/2,(x,y)(0,0)0,(x,y)=(0,0), 证明:

 (1) f(x,y)在原点处连续;

 (2) f(x,y)在原点的偏导数fx(0,0)fy(0,0)存在;

 (3) f(x,y)在原点不可微.

解答:  (1)   原极限x=ρcosθ,y=ρsinθ=limρ0[ρcosθρsinθ+(ρcosθρsinθ)2ρ3]=limρ0ρ[cosθsinθ+(cosθsinθ)2]=0=f(0,0),

从而f(x,y)在原点处连续;

 (2) fx(0,0)=limx0f(x,0)f(0,0)x0=limx0xx=1,

fy(0,0)=limy0f(0,y)f(0,0)y0=limx0yy=1,
从而f(x,y)在原点的偏导数fx(0,0)fy(0,0)存在;

 (3)   lim(Δx,Δy)(0,0)f(Δx,Δy)f(0,0)fx(0,0)Δxfy(0,0)Δy(Δx)2+(Δy)2=lim(Δx,Δy)(0,0)ΔxΔy+(ΔxΔy)2((Δx)2+(Δy)2)3/2Δx+Δy(Δx)2+(Δy)2=lim(Δx,Δy)(0,0)(ΔxΔy)2((Δx)2+(Δy)2)2Δy=kΔx=limΔx0(k(Δx)2)2((Δx)2+k2(Δx)2)2=k2(1+k2)2(随着k的值的变化而变化),

从而极限lim(Δx,Δy)(0,0)f(Δx,Δy)f(0,0)fx(0,0)Δxfy(0,0)Δy(Δx)2+(Δy)2不存在,故f(x,y)在原点不可微.

 

5 (16分) 求曲面z=xy1上与原点最近的点的坐标.

解答: 首先构造拉格朗日函数F(x,y,z,λ)=x2+y2+z2+λ(xyz1), 于是有{Fx=2x+λy=0Fy=2y+λx=0Fz=2zλ=0Fλ=xyz1=0 {x=0y=0z=1λ=2, 由于(0,0,1)是此问题的唯一驻点 (稳定点) ,而此问题一定有最小值,故(0,0,1)为所求点.

 

6 (16分)  设F=yixjx2+y2, 曲线L 由圆x2+y2=1 和椭圆x24+y2=1组成,方向均为逆时针方向,求LF\rds.

解答: 方法一:记圆x2+y2=1为曲线L1, 椭圆x24+y2=1为曲线L2, 于是L=L1+L2,又设圆x2+y2=a,(0<a<1,a0)为曲线L3, 方向为逆时针方向,于是L=(L1L3)+(L2L3)+2L3,再记P(x,y)=xx2+y2,Q(x,y)=yx2+y2,于是在(L1L3)+(L2L3)上, Px=Qy=x2y2(x2+y2)2且连续, 由此可知 LF\rds=(L1L3)+(L2L3)+2L3F\rds=L1L3F\rds+L2L3F\rds+2L3F\rdsI1+I2+I3.

由格林公式立即可得I1=I2=[PxQy]\rdx\rdy=0, I3=2L3F\rdsx=acosθ,y=asinθ=22π0a2cos2θ+a2sin2θa2\rd=22π0\rd=4π.
从而LF\rds=4π.

方法二:记圆x2+y2=1为曲线L1, 椭圆x24+y2=1为曲线L2, 于是L=L1+L2,再记P(x,y)=xx2+y2,Q(x,y)=yx2+y2,于是在L2L1上, Px=Qy=x2y2(x2+y2)2且连续, 由此可知 LF\rds=(L2L1)+2L1F\rds=L2L1F\rds+2L1F\rds=I1+I2,

由格林公式立即可得I1=[PxQy]\rdx\rdy=0, I2=2L1F\rdsx=cosθ,y=sinθ=22π0cos2θ+sin2θ1\rd=22π0\rd=4π.
从而LF\rds=4π.

 

7 (16分) 求函数项级数n=1x2(1+x2)n的和函数,并讨论在x(,+)上的一致收敛性.

解答: 记fn(x)=x2(1+x2)n, 函数项级数n=1x2(1+x2)n的前n项部分和函数为Sn(x), 和函数为S(x), 于是有

(1) 当x=0时,此时Sn(x)=0, 从而S(x)=limnSn(x)=limn0=0;

 (2) 当x0时,此时Sn(x)=x21+x2[1(11+x2)n]111+x2,

从而S(x)=limnSn(x)=limn[1(11+x2)n]=1;

综上可知, S(x)={1,x00,x=0;

又由于S(x)不连续,而fn(x)(n=1,2,)每一项都连续,故n=1x2(1+x2)n不一致连续.

 

8 (10分) 研究级数2+22+22+2+22+2+2+的敛散性.

解答: 方法一:设a1=2,a2=22,a3=22+2,, 从而可得

a1=2=2sinπ4=2cosπ4,a2=22=22cosπ4=2sinπ8,

a3=22+2=22+2cosπ4=22cosπ8=2sinπ16,
a4=22+2+2=22+2+2cosπ4=2sinπ32,
,an=2sinπ2n+1,于是猜想an=2sinπ2n+1(n=1,2,), 下面用数学归纳法来证明

(1) 当n=1时,此时a1=2sinπ4显然成立;

(2) 假设n=k时,ak成立,即ak=2sinπ2k+1, 下面证明当n=k+1时, ak+1=22+2a2k=22cosπk+1=2sinπ2k+2, 可知当n=k+1时也成立.

于是可得an=2sinπ2n+1(n=1,2,), 而显然可得an2π2n+1=π2n, 而级数n=1π2n收敛,由正项级数的比较原则可知,所求原级数收敛.

 

方法二:设an=2+2++2, (n个根号) ,满足an+1=2+an,

现在用数学归纳法来证明数列{an}是有界的.

显然,a1=2(0,2);

假设n=k时,0<ak<2,

则当n=k+1时,0<ak+1=2+ak<2+2=2, 所以0<an<2(n=1,2,), 数列{an}有界的. 由于an+1an=2+anan=2a2n+1an>1,

因此数列{an}单调递增.

由单调有界原理,数列{an}有极限,记为a.由于an+1=2+an,

运用数列极限的四则运算法则,当n 时有

a=2+a, a=2, 即limnan=2. 从而  limn2an+12an=limn2an+12an=limn22+an2an=limn(22+an)(2+2+an)(2an)(2+2+an)=limn2an(2an)(2+2+an)=limn12+2+an=12<1.

因而由正项级数的d'Alembert判别法或比式判别法可知,所求原级数收敛. 

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