1 (每小题6分,共48分)
(1) 求limx→0+xx;
解答: 原式=limx→0+exlnx=limx→0+elnx1/x=elimx→0+lnx1/xL′Hospital=elimx→0+1/x−1/x2=e−limx→0+x=e0=1.
(2) 求∫√xsin√x\rdx;
解答: 原式t=√x=2∫t2sint\rdt=−2∫t2\rd(cost)=−2t2cost+4∫tcost\rdt=−2t2cost+4∫t\rd(sint)=−2t2cost+4tsint−4∫sint\rdt=−2t2cost+4tsint+4cost+C=−2xcos√x+4√xsin√x+4cos√x+C(其中C是任意常数).
(3) 求∫e1\rdxx(2+ln2x);
解答: 原式t=lnx=∫10\rdt2+t2=12∫10\rdt1+t22=√22∫10\rd(t√2)1+(t√2)2=√22arctan(t√2)|10=√22arctan√22.
(4) 求∫+∞0xe−x(1+e−x)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\rdxL′Hospital=−limx→+∞1ex+∫+∞01ex+1\rdx=∫+∞01ex+1\rdxex=t=∫+∞11t(t+1)\rdt=∫+∞1(1t−1t+1)\rdt=[lnt−ln(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)zx⟹zx=f1(x,xy)+yf2(x,xy)1−φ′(y+z),
(6) 求曲线y2=x2(4−x)所围图形的面积;
解答: 由分析可知,曲线y2=x2(4−x)关于x轴对称;又由于x≤4,y(0)=y(4)=0, 当x≤0时,y(x)单调递减且limx→−∞y(x)=+∞,故所求面积 S=2∫40√x2(4−x)\rdx=2∫40x√4−x\rdx√4−x=t=4∫20(4−t2)t2\rdt=4(43t3−15t5)|20=25615.
(7) 计算二重积分∫∫D(x2a2+y2b2)\rdx\rdy,其中D={(x,y)|x2+y2≤1};
解答: 原式x=ρcosθ,y=ρsinθ=∫10∫2π0(ρ2cos2θa2+ρ2sin2θb2)ρ\rdρ\rd=∫10ρ3\rdρ⋅∫2π0(ρ2cos2θa2+ρ2sin2θb2)\rd=14ρ4|10⋅∫2π0(1+cos2θ2a2+1−cos2θ2b2)\rd=14[(12a2+12b2)θ+12(12a2−12b2)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)!≤n⋅n!(2n)!<n⋅n!n!⋅n⋅n⋅n=1n2,
方法二: limn→∞un+1un=1!+2!+3!+⋯+n!+(n+1)!(2(n+1))!⋅(2n)!1!+2!+3!+⋯+n!=limn→∞1!+2!+3!+⋯+n!+(n+1)!(2n+1)(2n+2)(1!+2!+3!+⋯+n!)=limn→∞1!+2!+3!+⋯+n!(2n+1)(2n+2)(1!+2!+3!+⋯+n!)+limn→∞(n+1)!(2n+1)(2n+2)(1!+2!+3!+⋯+n!)=limn→∞1(2n+1)(2n+2)+limn→∞n!2(2n+1)(1!+2!+3!+⋯+n!)=0+0=0<1,
注记: 由于 0≤n!2(2n+1)(1!+2!+3!+⋯+n!)<n!2(2n+1)(n!)=12(2n+1)→0,(n→∞),
2 (16分) 求函数f(x)=|x|e−|x−1|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)=−xex−1, 从而f′(x)=−ex−1−xex−1=−(x+1)ex−1;
2) 当0<x<1时,此时f(x)=xex−1, 从而f′(x)=ex−1+xex−1=(x+1)ex−1;
3) 当x>1时,此时f(x)=xe−(x−1), 从而f′(x)=e−(x−1)−xe−(x−1)=(1−x)e1−x;
4) 当x=1时,此时f′+(1)=limx→1+f(x)−f(1)x−1=limx→1+xe−(x−1)−1x−1=limx→1+(1−x)e1−x1=0,
5) 当x=0时,此时f′+(0)=limx→0+f(x)−f(0)x−0=limx→0+xe(x−1)−0x−0=limx→0+ex−1=e−1,
综上可知,所求f(x)的导函数为f′(x)={(1−x)e1−x,x>1不存在,x=1(x+1)ex−1,0<x<1不存在,x=0−(x+1)ex−1,x<0; 1∘, x>1,f′(x)<0, 0<x<1,f′(x)>0 ⟹f(x) 在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) 在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) 在x=−1处取得极大值f(−1)=e−2;
综上可知,f(x)的极大值为1和e−2, 极小值为0.
3 (10分) 设f(x)在[0,1]上有一阶连续导数,且f(0)=f(1)=0, 记M=max0≤x≤1|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)(x−0)\rdx|+|∫112f′(η)(x−1)\rdx|≤∫120|f′(ξ)(x−0)|\rdx+∫112|f′(η)(x−1)|\rdx≤M∫120x\rdx+M∫112(1−x)\rdx=Mx22|120+M(x−x22)|112=14M,(其中ξ∈(0,12),η∈(12,1)).
方法二: |∫10f(x)\rdx|t=x−12=|∫12−12f(t+12)\rdt| 分步积分=|tf(t+12)|1212−∫12−12tf′(t+12)\rdt|=|∫12−12tf′(t+12)\rdt|≤∫12−12|tf′(t+12)|\rdt≤M∫12−12|t|\rdt=2M∫120|t|\rdt=2M∫120t\rdt=2M⋅t22|120=14M.
4 (18分) 设函数f(x,y)={x−y+(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)和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=limρ→0[ρcosθ−ρsinθ+(ρcosθρsinθ)2ρ3]=limρ→0ρ[cosθ−sinθ+(cosθsinθ)2]=0=f(0,0),
(2) fx(0,0)=limx→0f(x,0)−f(0,0)x−0=limx→0xx=1,
(3) lim(Δx,Δy)→(0,0)f(Δx,Δy)−f(0,0)−fx(0,0)Δx−fy(0,0)Δy√(Δx)2+(Δy)2=lim(Δx,Δy)→(0,0)Δx−Δy+(ΔxΔy)2((Δx)2+(Δy)2)3/2−Δx+Δy√(Δx)2+(Δy)2=lim(Δx,Δy)→(0,0)(ΔxΔy)2((Δx)2+(Δy)2)2Δy=kΔx=limΔx→0(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),
5 (16分) 求曲面z=xy−1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(xy−z−1), 于是有{Fx=2x+λy=0Fy=2y+λx=0Fz=2z−λ=0Fλ=xy−z−1=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=y→i−x→jx2+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∫L→F\rd→s.
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,a→0)为曲线L3, 方向为逆时针方向,于是L=(L1−L3)+(L2−L3)+2L3,再记P(x,y)=−xx2+y2,Q(x,y)=yx2+y2,于是在(L1−L3)+(L2−L3)上, ∂P∂x=∂Q∂y=x2−y2(x2+y2)2且连续, 由此可知 ∫L→F\rd→s=∫(L1−L3)+(L2−L3)+2L3→F\rd→s=∫L1−L3→F\rd→s+∫L2−L3→F\rd→s+∫2L3→F\rd→s≡I1+I2+I3.
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L2−L1上, ∂P∂x=∂Q∂y=x2−y2(x2+y2)2且连续, 由此可知 ∫L→F\rd→s=∫(L2−L1)+2L1→F\rd→s=∫L2−L1→F\rd→s+∫2L1→F\rd→s=I1+I2,
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)=limn→∞Sn(x)=limn→∞0=0;
(2) 当x≠0时,此时Sn(x)=x21+x2[1−(11+x2)n]1−11+x2,
综上可知, S(x)={1,x≠00,x=0;
8 (10分) 研究级数√2+√2−√2+√2−√2+√2+√2−√2+√2+√2+⋯的敛散性.
解答: 方法一:设a1=√2,a2=√2−√2,a3=√2−√2+√2,⋯, 从而可得
a1=√2=2sinπ4=2cosπ4,a2=√2−√2=√2−2cosπ4=2sinπ8,
(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=√2−√2+2−a2k=√2−2cosπk+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an≤2π2n+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,
由单调有界原理,数列{an}有极限,记为a.由于an+1=√2+an,
a=√2+a, ⟹a=2, 即limn→∞an=2. 从而 limn→∞√2−an+1√2−an=limn→∞√2−an+12−an=limn→∞√2−√2+an2−an=limn→∞√(2−√2+an)(2+√2+an)(2−an)(2+√2+an)=limn→∞√2−an(2−an)(2+√2+an)=limn→∞√12+√2+an=12<1.