一、选择题(每题 4 分,共 20 分)
1. 定积分比较
设
I1=∫−π/2π/21+x2(1+x)2dx,I2=∫−π/2π/2(1+cosx)dx,I3=∫−π/2π/2sin2xdx.
判断三者的大小关系。
- A. I1<I2<I3
- B. I3<I2<I1
- C. I1<I3<I2
- D. I3<I1<I2
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答案为 D。利用奇偶性可得
I1=π、I2=π+2、I3=π/2。
2. 由复合函数的导数求原函数
设 f′(sinx)=cot2x,则 f(x) 是哪一项?
- A. x−2−1+C
- B. 1−x2x2+C
- C. −x1−x+C
- D. 21ln1−x1+x−x+C
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答案为 C。令 u=sinx,则
cot2x=u21−u2=u21−1.
所以
f(u)=∫(u21−1)du=−u1−u+C.
3. 极限证明方法
在证明
n→∞lim∫01xn(1+x)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 0≤xn(1+x)≤2xn 夹逼
- C. 用积分中值定理写成
ξn∫01(1+x)dx,并直接断言 ξn→0
- D. 用积分中值定理写成
(1+ξ)∫01xndx
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答案为 C。积分中值定理中的 ξ 会随 n 变化,不能仅由
0<ξ<1 就推出 ξn→0。
4. 广义积分敛散性
以下三个广义积分中,收敛的是哪些?
(1) ∫011−xx4dx,(2) ∫2+∞xlnxdx,(3) ∫1+∞xarctan(1/x)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=1 附近与
1/1−x 同阶,收敛;(2) 是典型的对数发散积分;(3) 中
xarctan(1/x)∼x21,
故收敛。
5. 由通解反推微分方程
以
y=C1ex+C2e−2x+cosx
为通解的微分方程是:
- A. y′′+y′−2y=−sinx−3cosx
- B. y′′−y′−2y=sinx−4cosx
- C. y′′−2y′+y=2sinx
- D. y′′+4y′+4y=−4sinx+3cosx
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答案为 A。特征根为 1,−2,故齐次算子为
D2+D−2;将 cosx 代入得到右端
−sinx−3cosx。
二、计算证明题(每题 6 分,共 30 分)
1. 不定积分
计算 ∫exdx。
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令 t=x,则
∫exdx=∫2tetdt=2(t−1)et+C=2(x−1)ex+C.
2. 广义积分
计算
∫1+∞(1+x)2lnxdx.
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分部积分得
∫1+∞(1+x)2lnxdx=∫1+∞x(1+x)dx=ln2.
3. 利用微分关系求积分
设
f′′(x)=af(x)g2(x),g′′(x)=bg(x)f2(x),a=b.
证明
∫f2(x)g2(x)dx=a−bf′(x)g(x)−f(x)g′(x)+C.
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直接求导右端分子:
(f′g−fg′)′=f′′g−fg′′=(a−b)f2g2.
两边除以 a−b 即得结论。
4. 含参积分求导
已知 φ(x) 在 R 上连续,令
F(x)=∫0xtφ(x−t)dt.
求 F′′(x)。
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令 u=x−t,则
F(x)=∫0x(x−u)φ(u)du.
因此
F′(x)=∫0xφ(u)du,F′′(x)=φ(x).
5. 分部积分
设 f 在 [0,2] 上二阶可导,且
f(2)=21,f′(2)=0,∫02f(x)dx=1.
求
∫01x2f′′(2x)dx.
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连续两次分部积分:
∫01x2f′′(2x)dx=−∫01xf′(2x)dx=−41+21∫01f(2x)dx=−41+41∫02f(t)dt=0.
三、积分方程与微分方程(10 分)
设 f 满足
f′(x)+2f(x)+5∫0xf(t)dt=10sinx,f(0)=f′(0)=0.
- 写出 f 满足的二阶微分方程;
- 求 f(x)。
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对原式求导:
f′′+2f′+5f=10cosx.
特征根为 −1±2i,取特解 2cosx+sinx。结合初值,得到
f(x)=−2e−xcos2x−23e−xsin2x+sinx+2cosx.
四、旋转体体积最值(10 分)
设曲线
y=3ax2+2bx+lnc
经过原点,且 0≤x≤1 时 y≥0。曲线与 x=1、x 轴围成区域
D,已知 D 的面积为 1。求 a,b,c,使 D 绕 x 轴所得旋转体体积最小。
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过原点给出 c=1;面积条件给出 a+b=1。体积为
V=π∫01(3ax2+2bx)2dx=π(59a2+3ab+34b2).
令 b=1−a,化为
V=π(152a2+31a+34).
故最小值在
a=−45,b=49,c=1
处取得。
五、条件收敛的参数范围(10 分)
设 p>0,q>0,求 p,q 满足什么条件时
∫1+∞xp(1+xq)sin2xdx
条件收敛。
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记
φ(x)=xp(1+xq)1.
φ(x) 单调趋于 0,所以 Dirichlet 判别法保证原积分收敛。绝对值积分在
p+q≤1 时发散,因此条件为
p+q≤1.
六、含积分的极限(10 分)
设 f 连续,且 f(0)=0,f′(0)=1。求
x→0limx3∫0x[(2−t)2∫0tf(u)du]dt.
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依次使用洛必达法则:
L=x→0lim(2−x)23x2∫0xf(u)du=4x→0lim6xf(x)=32f′(0)=32.
七、零点与 Rolle 定理(10 分)
设 f 是 [0,1] 上的可导函数,满足
f(0)>0,f(1)>0,∫01f(x)dx=0.
- 证明 f 在 [0,1] 上至少有两个零点;
- 证明在 (0,1) 内至少存在一点 ξ,使
f′(ξ)+3f3(ξ)=0.
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若 f 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) 使 f(x0)<0。分别在 [0,x0] 与 [x0,1]
使用零点定理,得到两个零点 x1<x2。
令
F(x)=f(x)e∫0x3f2(t)dt.
则 F(x1)=F(x2)=0。由 Rolle 定理,存在
ξ∈(x1,x2) 使 F′(ξ)=0。又
F′(x)=e∫0x3f2(t)dt[f′(x)+3f3(x)],
故结论成立。