2021—2022 学年秋季学期真题 · 期末

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一、选择题(每题 4 分,共 20 分)

1. 定积分比较

I1=π/2π/2(1+x)21+x2dx,I2=π/2π/2(1+cosx)dx,I3=π/2π/2sin2xdx.I_1=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\frac{(1+x)^2}{1+x^2}\,\mathrm dx, \quad I_2=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}(1+\cos x)\,\mathrm dx, \quad I_3=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\sin^2x\,\mathrm dx.

判断三者的大小关系。

  • A. I1<I2<I3I_1<I_2<I_3
  • B. I3<I2<I1I_3<I_2<I_1
  • C. I1<I3<I2I_1<I_3<I_2
  • D. I3<I1<I2I_3<I_1<I_2
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答案为 D。利用奇偶性可得 I1=πI_1=\piI2=π+2I_2=\pi+2I3=π/2I_3=\pi/2

2. 由复合函数的导数求原函数

f(sinx)=cot2xf'(\sin x)=\cot^2x,则 f(x)f(x) 是哪一项?

  • A. x21+Cx^{-2}-1+C
  • B. x21x2+C\dfrac{x^2}{1-x^2}+C
  • C. 1xx+C-\dfrac1x-x+C
  • D. 12ln1+x1xx+C\dfrac12\ln\dfrac{1+x}{1-x}-x+C
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答案为 C。令 u=sinxu=\sin x,则

cot2x=1u2u2=1u21.\cot^2x=\frac{1-u^2}{u^2}=\frac1{u^2}-1.

所以

f(u)=(1u21)du=1uu+C.f(u)=\int\left(\frac1{u^2}-1\right)\,\mathrm du =-\frac1u-u+C.

3. 极限证明方法

在证明

limn01xn(1+x)dx=0\lim_{n\to\infty}\int_0^1x^n(1+x)\,\mathrm dx=0

的四种方法中,错误的是哪一项?

  • A. 直接积分后取极限
  • B. 用 0xn(1+x)2xn0\le x^n(1+x)\le2x^n 夹逼
  • C. 用积分中值定理写成 ξn01(1+x)dx\xi^n\int_0^1(1+x)\,\mathrm dx,并直接断言 ξn0\xi^n\to0
  • D. 用积分中值定理写成 (1+ξ)01xndx(1+\xi)\int_0^1x^n\,\mathrm dx
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答案为 C。积分中值定理中的 ξ\xi 会随 nn 变化,不能仅由 0<ξ<10<\xi<1 就推出 ξn0\xi^n\to0

4. 广义积分敛散性

以下三个广义积分中,收敛的是哪些?

(1) 01x41xdx,(2) 2+dxxlnx,(3) 1+arctan(1/x)xdx.(1)\ \int_0^1\frac{x^4}{\sqrt{1-x}}\,\mathrm dx, \qquad (2)\ \int_2^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x\ln x}, \qquad (3)\ \int_1^{+\infty}\frac{\arctan(1/x)}x\,\mathrm dx.
  • A. (1)(2)
  • B. (1)(3)
  • C. (2)(3)
  • D. (1)(2)(3)
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答案为 B。(1) 在 x=1x=1 附近与 1/1x1/\sqrt{1-x} 同阶,收敛;(2) 是典型的对数发散积分;(3) 中

arctan(1/x)x1x2,\frac{\arctan(1/x)}x\sim\frac1{x^2},

故收敛。

5. 由通解反推微分方程

y=C1ex+C2e2x+cosxy=C_1e^x+C_2e^{-2x}+\cos x

为通解的微分方程是:

  • A. y+y2y=sinx3cosxy''+y'-2y=-\sin x-3\cos x
  • B. yy2y=sinx4cosxy''-y'-2y=\sin x-4\cos x
  • C. y2y+y=2sinxy''-2y'+y=2\sin x
  • D. y+4y+4y=4sinx+3cosxy''+4y'+4y=-4\sin x+3\cos x
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答案为 A。特征根为 1,21,-2,故齐次算子为 D2+D2D^2+D-2;将 cosx\cos x 代入得到右端 sinx3cosx-\sin x-3\cos x

二、计算证明题(每题 6 分,共 30 分)

1. 不定积分

计算 exdx\int e^{\sqrt x}\,\mathrm dx

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t=xt=\sqrt x,则

exdx=2tetdt=2(t1)et+C=2(x1)ex+C.\int e^{\sqrt x}\,\mathrm dx =\int2te^t\,\mathrm dt =2(t-1)e^t+C =2(\sqrt x-1)e^{\sqrt x}+C.

2. 广义积分

计算

1+lnx(1+x)2dx.\int_1^{+\infty}\frac{\ln x}{(1+x)^2}\,\mathrm dx.
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分部积分得

1+lnx(1+x)2dx=1+dxx(1+x)=ln2.\int_1^{+\infty}\frac{\ln x}{(1+x)^2}\,\mathrm dx =\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x(1+x)} =\ln2.

3. 利用微分关系求积分

f(x)=af(x)g2(x),g(x)=bg(x)f2(x),ab.f''(x)=af(x)g^2(x), \qquad g''(x)=bg(x)f^2(x), \qquad a\ne b.

证明

f2(x)g2(x)dx=f(x)g(x)f(x)g(x)ab+C.\int f^2(x)g^2(x)\,\mathrm dx =\frac{f'(x)g(x)-f(x)g'(x)}{a-b}+C.
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直接求导右端分子:

(fgfg)=fgfg=(ab)f2g2.\bigl(f'g-fg'\bigr)'=f''g-fg'' =(a-b)f^2g^2.

两边除以 aba-b 即得结论。

4. 含参积分求导

已知 φ(x)\varphi(x)R\mathbb R 上连续,令

F(x)=0xtφ(xt)dt.F(x)=\int_0^x t\varphi(x-t)\,\mathrm dt.

F(x)F''(x)

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u=xtu=x-t,则

F(x)=0x(xu)φ(u)du.F(x)=\int_0^x(x-u)\varphi(u)\,\mathrm du.

因此

F(x)=0xφ(u)du,F(x)=φ(x).F'(x)=\int_0^x\varphi(u)\,\mathrm du, \qquad F''(x)=\varphi(x).

5. 分部积分

ff[0,2][0,2] 上二阶可导,且

f(2)=12,f(2)=0,02f(x)dx=1.f(2)=\frac12, \qquad f'(2)=0, \qquad \int_0^2f(x)\,\mathrm dx=1.

01x2f(2x)dx.\int_0^1x^2f''(2x)\,\mathrm dx.
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连续两次分部积分:

01x2f(2x)dx=01xf(2x)dx=14+1201f(2x)dx=14+1402f(t)dt=0.\begin{aligned} \int_0^1x^2f''(2x)\,\mathrm dx &=-\int_0^1xf'(2x)\,\mathrm dx\\ &=-\frac14+\frac12\int_0^1f(2x)\,\mathrm dx\\ &=-\frac14+\frac14\int_0^2f(t)\,\mathrm dt=0. \end{aligned}

三、积分方程与微分方程(10 分)

ff 满足

f(x)+2f(x)+50xf(t)dt=10sinx,f(0)=f(0)=0.f'(x)+2f(x)+5\int_0^xf(t)\,\mathrm dt=10\sin x, \qquad f(0)=f'(0)=0.
  1. 写出 ff 满足的二阶微分方程;
  2. f(x)f(x)
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对原式求导:

f+2f+5f=10cosx.f''+2f'+5f=10\cos x.

特征根为 1±2i-1\pm2i,取特解 2cosx+sinx2\cos x+\sin x。结合初值,得到

f(x)=2excos2x32exsin2x+sinx+2cosx.f(x)=-2e^{-x}\cos2x-\frac32e^{-x}\sin2x +\sin x+2\cos x.

四、旋转体体积最值(10 分)

设曲线

y=3ax2+2bx+lncy=3ax^2+2bx+\ln c

经过原点,且 0x10\le x\le1y0y\ge0。曲线与 x=1x=1xx 轴围成区域 DD,已知 DD 的面积为 11。求 a,b,ca,b,c,使 DDxx 轴所得旋转体体积最小。

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过原点给出 c=1c=1;面积条件给出 a+b=1a+b=1。体积为

V=π01(3ax2+2bx)2dx=π(95a2+3ab+43b2).V=\pi\int_0^1(3ax^2+2bx)^2\,\mathrm dx =\pi\left(\frac95a^2+3ab+\frac43b^2\right).

b=1ab=1-a,化为

V=π(215a2+13a+43).V=\pi\left(\frac{2}{15}a^2+\frac13a+\frac43\right).

故最小值在

a=54,b=94,c=1a=-\frac54, \qquad b=\frac94, \qquad c=1

处取得。

五、条件收敛的参数范围(10 分)

p>0,q>0p>0,q>0,求 p,qp,q 满足什么条件时

1+sin2xxp(1+xq)dx\int_1^{+\infty}\frac{\sin2x}{x^p(1+x^q)}\,\mathrm dx

条件收敛。

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φ(x)=1xp(1+xq).\varphi(x)=\frac1{x^p(1+x^q)}.

φ(x)\varphi(x) 单调趋于 00,所以 Dirichlet 判别法保证原积分收敛。绝对值积分在 p+q1p+q\le1 时发散,因此条件为

p+q1.p+q\le1.

六、含积分的极限(10 分)

ff 连续,且 f(0)=0,f(0)=1f(0)=0,f'(0)=1。求

limx00x[(2t)20tf(u)du]dtx3.\lim_{x\to0} \frac{\displaystyle\int_0^x \left[(2-t)^2\int_0^tf(u)\,\mathrm du\right]\mathrm dt}{x^3}.
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依次使用洛必达法则:

L=limx0(2x)20xf(u)du3x2=4limx0f(x)6x=23f(0)=23.\begin{aligned} L &=\lim_{x\to0}(2-x)^2 \frac{\int_0^xf(u)\,\mathrm du}{3x^2}\\ &=4\lim_{x\to0}\frac{f(x)}{6x} =\frac23f'(0)=\frac23. \end{aligned}

七、零点与 Rolle 定理(10 分)

ff[0,1][0,1] 上的可导函数,满足

f(0)>0,f(1)>0,01f(x)dx=0.f(0)>0, \qquad f(1)>0, \qquad \int_0^1f(x)\,\mathrm dx=0.
  1. 证明 ff[0,1][0,1] 上至少有两个零点;
  2. 证明在 (0,1)(0,1) 内至少存在一点 ξ\xi,使
f(ξ)+3f3(ξ)=0.f'(\xi)+3f^3(\xi)=0.
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ff 在区间内处处非负,则因端点为正且连续,积分应为正,与题设矛盾。因此存在 x0(0,1)x_0\in(0,1) 使 f(x0)<0f(x_0)<0。分别在 [0,x0][0,x_0][x0,1][x_0,1] 使用零点定理,得到两个零点 x1<x2x_1<x_2

F(x)=f(x)e0x3f2(t)dt.F(x)=f(x)e^{\int_0^x3f^2(t)\,\mathrm dt}.

F(x1)=F(x2)=0F(x_1)=F(x_2)=0。由 Rolle 定理,存在 ξ(x1,x2)\xi\in(x_1,x_2) 使 F(ξ)=0F'(\xi)=0。又

F(x)=e0x3f2(t)dt[f(x)+3f3(x)],F'(x)=e^{\int_0^x3f^2(t)\,\mathrm dt} \left[f'(x)+3f^3(x)\right],

故结论成立。

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