2017—2018 学年秋季学期真题 · 期末

考试时间为 2018 年 1 月 23 日。以下题面按 A 卷转录,答案依据随卷答案整理。

一、选择题(每题 4 分,共 20 分)

1. 可积性与广义积分

下列命题中正确的是:

  • A. 若函数 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上有界,则 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上必可积
  • B. 若 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上可积,则 ∣f(x)∣|f(x)| 在 [a,b][a,b] 上也可积
  • C. 若 ∫a+∞f(x) dx\displaystyle\int_a^{+\infty}f(x)\,dx 收敛,则 ∫a+∞∣f(x)∣ dx\displaystyle\int_a^{+\infty}|f(x)|\,dx 也收敛
  • D. 若 ∫a+∞f(x) dx\displaystyle\int_a^{+\infty}f(x)\,dx 与 ∫a+∞g(x) dx\displaystyle\int_a^{+\infty}g(x)\,dx 都发散,则 ∫a+∞[f(x)+g(x)] dx\displaystyle\int_a^{+\infty}[f(x)+g(x)]\,dx 发散
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答案:B。

Riemann 可积函数的绝对值仍然 Riemann 可积。仅有界不足以保证可积;条件收敛不推出绝对收敛;两个发散积分相加也可能因抵消而收敛。

2. 含积分的函数方程

设 f(x)f(x) 满足

f(x)+sin⁡x=∫0π/2f(x) dx,f(x)+\sin x=\int_0^{\pi/2}f(x)\,dx,

则 ∫0π/2f(x) dx\displaystyle\int_0^{\pi/2}f(x)\,dx 等于:

  • A. 22−π\dfrac2{2-\pi}
  • B. 2π−2\dfrac2{\pi-2}
  • C. π−22\dfrac{\pi-2}{2}
  • D. π−12\dfrac{\pi-1}{2}
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答案:B。

记 I=∫0π/2f(x) dxI=\int_0^{\pi/2}f(x)\,dx,则 f(x)=I−sin⁡xf(x)=I-\sin x。两边在 [0,π/2][0,\pi/2] 上积分:

I=π2I−1,I=\frac\pi2I-1,

所以

I=2π−2.I=\frac2{\pi-2}.

3. 原函数与变上限积分

设函数 f(x)f(x) 可导,下列说法中正确的是:

  1. ∫f(x) dx=f(x)\displaystyle\int f(x)\,dx=f(x);
  2. ∫f′(x) dx=f(x)+C\displaystyle\int f'(x)\,dx=f(x)+C;
  3. ddx(∫ax2f(t) dt)=f(x2)\displaystyle\frac d{dx}\left(\int_a^{x^2}f(t)\,dt\right)=f(x^2);
  4. ddx(∫abf(x) dx)=0\displaystyle\frac d{dx}\left(\int_a^b f(x)\,dx\right)=0。
  • A. (1)(3)
  • B. (2)(4)
  • C. (1)(4)
  • D. (2)(3)
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答案:B。

(2)是原函数的定义;(4)中的定积分是与外部变量无关的常数。(1)一般不成立;(3)漏掉了链式法则产生的 2x2x,正确结果应为 2xf(x2)2xf(x^2)。

4. 广义积分敛散性

下列广义积分中,发散的是:

  • A. ∫1+∞x+2x2 dx\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\sqrt{x+2}}{x^2}\,dx
  • B. ∫1+∞1+cos⁡xxx dx\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{1+\cos x}{x\sqrt{x}}\,dx
  • C. ∫0+∞1x2 dx\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac1{x^2}\,dx
  • D. ∫−∞+∞xe−x2 dx\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}xe^{-x^2}\,dx
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答案:C。

C 在 x=0x=0 附近与 1/x21/x^2 相同,积分发散。A、B 的被积函数在无穷远处分别为 O(x−3/2)O(x^{-3/2}),均绝对收敛;D 应按两个单侧广义积分定义,两侧都收敛且积分值相消为 00。

5. 曲线弧长

曲线

y=∫0xsin⁡t dt,0≤x≤πy=\int_0^x\sqrt{\sin t}\,dt, \qquad 0\le x\le\pi

的弧长为:

  • A. 2\sqrt2
  • B. 22
  • C. 1+21+\sqrt2
  • D. 44
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答案:D。

由 y′=sin⁡xy'=\sqrt{\sin x},弧长为

L=∫0π1+(y′)2 dx=∫0π1+sin⁡x dx.L=\int_0^\pi\sqrt{1+(y')^2}\,dx =\int_0^\pi\sqrt{1+\sin x}\,dx.

在 [0,π][0,\pi] 上,

1+sin⁡x=sin⁡x2+cos⁡x2,\sqrt{1+\sin x}=\sin\frac x2+\cos\frac x2,

故 L=4L=4。

二、计算题(每题 6 分,共 30 分)

1. 有理函数积分

计算

∫x+5x2−6x+13 dx.\int\frac{x+5}{x^2-6x+13}\,dx.
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将分母配方并拆分分子:

x2−6x+13=(x−3)2+4,x+5=(x−3)+8.x^2-6x+13=(x-3)^2+4, \qquad x+5=(x-3)+8.

因此

∫x+5x2−6x+13 dx=12ln⁡(x2−6x+13)+4arctan⁡x−32+C.\begin{aligned} \int\frac{x+5}{x^2-6x+13}\,dx &=\frac12\ln(x^2-6x+13) +4\arctan\frac{x-3}{2}+C. \end{aligned}

2. 定积分

计算

∫01ln⁡(1+x)(x+3)2 dx.\int_0^1\frac{\ln(1+x)}{(x+3)^2}\,dx.
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分部积分,取 u=ln⁡(1+x)u=\ln(1+x),dv=dx/(x+3)2dv=dx/(x+3)^2:

I=−ln⁡(1+x)x+3∣01+∫01dx(x+1)(x+3)=−14ln⁡2+12∫01(1x+1−1x+3)dx=12ln⁡3−34ln⁡2.\begin{aligned} I &=-\left.\frac{\ln(1+x)}{x+3}\right|_0^1 +\int_0^1\frac{dx}{(x+1)(x+3)}\\ &=-\frac14\ln2 +\frac12\int_0^1\left(\frac1{x+1}-\frac1{x+3}\right)dx\\ &=\frac12\ln3-\frac34\ln2. \end{aligned}

3. 对称区间积分

计算

∫−33[x2017(arctan⁡x)2+2018]9−x2 dx.\int_{-3}^{3}\left[x^{2017}(\arctan x)^2+2018\right]\sqrt{9-x^2}\,dx.
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x2017(arctan⁡x)29−x2x^{2017}(\arctan x)^2\sqrt{9-x^2} 是奇函数,其在对称区间上的积分为 00。其余部分为半径 33 的上半圆面积乘以 20182018:

2018∫−339−x2 dx=2018⋅9π2=9081π.2018\int_{-3}^{3}\sqrt{9-x^2}\,dx =2018\cdot\frac{9\pi}{2} =\boxed{9081\pi}.

4. 变限积分极限

求

lim⁡x→0∫sin⁡xxsin⁡(t2) dtxsin⁡x.\lim_{x\to0} \frac{\displaystyle\int_{\sin x}^{x}\sin(t^2)\,dt} {x\sin x}.
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由于 xsin⁡x∼x2x\sin x\sim x^2,可先把分母换成 x2x^2,再使用 L’Hôpital 法则:

lim⁡x→0∫sin⁡xxsin⁡(t2) dtx2=lim⁡x→0sin⁡(x2)−sin⁡(sin⁡2x)cos⁡x2x=0.\begin{aligned} \lim_{x\to0} \frac{\int_{\sin x}^{x}\sin(t^2)\,dt}{x^2} &=\lim_{x\to0} \frac{\sin(x^2)-\sin(\sin^2x)\cos x}{2x}\\ &=0. \end{aligned}

故原极限为 0\boxed0。

5. 瑕积分

计算

∫02dx∣1−x∣.\int_0^2\frac{dx}{\sqrt{|1-x|}}.
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x=1x=1 是瑕点,必须从两侧分别取极限:

∫02dx∣1−x∣=∫01dx1−x+∫12dxx−1=2+2=4.\begin{aligned} \int_0^2\frac{dx}{\sqrt{|1-x|}} &=\int_0^1\frac{dx}{\sqrt{1-x}} +\int_1^2\frac{dx}{\sqrt{x-1}}\\ &=2+2=\boxed4. \end{aligned}

三、证明题(10 分)

设 f(x)f(x) 在 [0,1][0,1] 上可微,且满足

f(1)=2∫01/2xf(x) dx.f(1)=2\int_0^{1/2}xf(x)\,dx.

证明:至少存在一点 ξ∈(0,1)\xi\in(0,1),使

ξf′(ξ)=−f(ξ).\xi f'(\xi)=-f(\xi).
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构造 F(x)=xf(x)F(x)=xf(x)。积分中值定理给出某个 η∈[0,1/2]\eta\in[0,1/2],使

2∫01/2xf(x) dx=F(η).2\int_0^{1/2}xf(x)\,dx=F(\eta).

由题设,F(1)=f(1)=F(η)F(1)=f(1)=F(\eta)。对 FF 在 [η,1][\eta,1] 上使用 Rolle 中值定理,存在 ξ∈(η,1)⊂(0,1)\xi\in(\eta,1)\subset(0,1),使

0=F′(ξ)=f(ξ)+ξf′(ξ).0=F'(\xi)=f(\xi)+\xi f'(\xi).

移项即得结论。

四、常微分方程(10 分)

  1. 求二阶线性非齐次常微分方程

    y′′−y′−2y=xe−xy''-y'-2y=xe^{-x}

    的通解;

  2. 求满足 y(0)=0y(0)=0、y′(0)=1y'(0)=1 的特解。

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齐次方程的特征方程为

λ2−λ−2=0,\lambda^2-\lambda-2=0,

特征根为 22 与 −1-1,所以齐次通解为

Y=C1e−x+C2e2x.Y=C_1e^{-x}+C_2e^{2x}.

因为右端含 e−xe^{-x},而 −1-1 是特征根,设特解

y∗=x(Ax+B)e−x.y^*=x(Ax+B)e^{-x}.

代入原方程并比较系数,得 A=−1/6A=-1/6、B=−1/9B=-1/9。故通解为

y=C1e−x+C2e2x−x(x6+19)e−x.y=C_1e^{-x}+C_2e^{2x} -x\left(\frac x6+\frac19\right)e^{-x}.

代入两个初值,得到 C1=−10/27C_1=-10/27、C2=10/27C_2=10/27。所求特解为

y=−1027e−x+1027e2x−x(x6+19)e−x.y=-\frac{10}{27}e^{-x}+\frac{10}{27}e^{2x} -x\left(\frac x6+\frac19\right)e^{-x}.

五、旋转体(10 分)

将曲线

y=x和y=1−1−x2y=\sqrt{x} \qquad\text{和}\qquad y=1-\sqrt{1-x^2}

所围成的公共部分绕 xx 轴旋转一周,求所得旋转体的体积和表面积。

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两曲线交于 (0,0)(0,0) 与 (1,1)(1,1)。在 0<x<10<x<1 上,x\sqrt x 是外半径,1−1−x21-\sqrt{1-x^2} 是内半径。因此体积为

V=π∫01x dx−π∫01(1−1−x2)2dx=π22−7π6.\begin{aligned} V &=\pi\int_0^1x\,dx -\pi\int_0^1\left(1-\sqrt{1-x^2}\right)^2dx\\ &=\boxed{\frac{\pi^2}{2}-\frac{7\pi}{6}}. \end{aligned}

表面积由两条边界曲线分别旋转所得曲面相加:

S=2π∫01x1+14x dx+2π∫01(1−1−x2)1+x21−x2 dx.S =2\pi\int_0^1\sqrt{x}\sqrt{1+\frac1{4x}}\,dx +2\pi\int_0^1\left(1-\sqrt{1-x^2}\right) \sqrt{1+\frac{x^2}{1-x^2}}\,dx.

计算得到

S=55−136π+π2.\boxed{S=\frac{5\sqrt5-13}{6}\pi+\pi^2}.

六、含参数广义积分(10 分)

讨论

∫1+∞cos⁡(3x)xp(1+1x)xdx,p>0\int_1^{+\infty}\frac{\cos(3x)}{x^p} \left(1+\frac1x\right)^x dx, \qquad p>0

的敛散性;若收敛,说明是绝对收敛还是条件收敛。

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因为

(1+1x)x⟶e,\left(1+\frac1x\right)^x\longrightarrow e,

该因子在 [1,+∞)[1,+\infty) 上有界。

当 p>1p>1 时,被积函数的绝对值可由 M/xpM/x^p 控制,所以积分绝对收敛。

当 0<p≤10<p\le1 时,x−px^{-p} 单调趋于 00,而 ∫1Acos⁡(3x) dx\int_1^A\cos(3x)\,dx 对 AA 一致有界;再结合有界单调因子 (1+1/x)x(1+1/x)^x,由 Dirichlet 与 Abel 判别法知原积分收敛。

另一方面,∣cos⁡(3x)∣≥cos⁡2(3x)|\cos(3x)|\ge\cos^2(3x),且

cos⁡2(3x)=1+cos⁡(6x)2.\cos^2(3x)=\frac{1+\cos(6x)}2.

其中常数项对应的积分与 ∫1+∞x−pdx\int_1^{+\infty}x^{-p}dx 同敛散,在 0<p≤10<p\le1 时发散,而振荡项收敛,故绝对值积分发散。

结论是:

  • p>1p>1 时绝对收敛;
  • 0<p≤10<p\le1 时条件收敛。

七、极限(每题 5 分,共 10 分)

1. Riemann 和

利用定积分定义,求

lim⁡n→∞13+23+⋯+n3n4.\lim_{n\to\infty}\frac{1^3+2^3+\cdots+n^3}{n^4}.
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改写为 Riemann 和:

13+23+⋯+n3n4=∑i=1n1n(in)3.\frac{1^3+2^3+\cdots+n^3}{n^4} =\sum_{i=1}^n\frac1n\left(\frac in\right)^3.

因此

lim⁡n→∞13+23+⋯+n3n4=∫01x3dx=14.\lim_{n\to\infty}\frac{1^3+2^3+\cdots+n^3}{n^4} =\int_0^1x^3dx=\boxed{\frac14}.

2. 积分极限

求

lim⁡n→∞∫0π/2cos⁡nx dx.\lim_{n\to\infty}\int_0^{\pi/2}\cos^n x\,dx.
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给定 ε>0\varepsilon>0,把积分拆成 [0,ε][0,\varepsilon] 与 [ε,π/2][\varepsilon,\pi/2] 两段。第一段不超过 ε\varepsilon;第二段由积分中值定理可估计为

0≤∫επ/2cos⁡nx dx≤π2cos⁡nε⟶0.0\le\int_\varepsilon^{\pi/2}\cos^n x\,dx \le\frac\pi2\cos^n\varepsilon\longrightarrow0.

先令 n→∞n\to\infty,再利用 ε\varepsilon 的任意性,得到原极限为 0\boxed0。

八、附加题(10 分)

设函数 f(x),g(x)f(x),g(x) 在 [a,b][a,b] 上连续,且

∫abf2(x) dx=1.\int_a^bf^2(x)\,dx=1.

证明:

  1. (∫abf(x)g(x) dx)2≤∫abf2(x) dx∫abg2(x) dx\displaystyle\left(\int_a^bf(x)g(x)\,dx\right)^2 \le\int_a^bf^2(x)\,dx\int_a^bg^2(x)\,dx;

  2. 对任意实数 kk,

    (∫abf(x)cos⁡(kx) dx)2+(∫abf(x)sin⁡(kx) dx)2≤b−a.\left(\int_a^bf(x)\cos(kx)\,dx\right)^2 +\left(\int_a^bf(x)\sin(kx)\,dx\right)^2 \le b-a.
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第一问是积分形式的 Cauchy—Schwarz 不等式。可令

F(t)=∫ab[tf(x)+g(x)]2dx.F(t)=\int_a^b[tf(x)+g(x)]^2dx.

对任意实数 tt 都有 F(t)≥0F(t)\ge0,把它看成关于 tt 的二次式,其判别式不大于 00,便得到

(∫abfg dx)2≤∫abf2dx∫abg2dx.\left(\int_a^bfg\,dx\right)^2 \le\int_a^bf^2dx\int_a^bg^2dx.

分别对 ff 与 cos⁡(kx)\cos(kx)、ff 与 sin⁡(kx)\sin(kx) 使用第一问,得到

(∫abfcos⁡(kx) dx)2≤∫abf2dx∫abcos⁡2(kx)dx,\left(\int_a^bf\cos(kx)\,dx\right)^2 \le\int_a^bf^2dx\int_a^b\cos^2(kx)dx, (∫abfsin⁡(kx) dx)2≤∫abf2dx∫absin⁡2(kx)dx.\left(\int_a^bf\sin(kx)\,dx\right)^2 \le\int_a^bf^2dx\int_a^b\sin^2(kx)dx.

两式相加,并用 ∫abf2dx=1\int_a^bf^2dx=1 与 sin⁡2+cos2=1\sin^2+cos^2=1,得到右端为

∫ab1 dx=b−a.\int_a^b1\,dx=b-a.

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