2016—2017 学年秋季学期真题 · 期末

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考试时间为 2017 年 1 月 6 日 8:00—10:00。以下题面按 A 卷转录,答案依据随卷评分答案整理。

一、单项选择题(每题 4 分,共 24 分)

1. Riemann 和

limn1nk=1nsinkπn.\lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=1}^n\sin\frac{k\pi}{n}.
  • A. 2/π2/\pi
  • B. π/2\pi/2
  • C. π\pi
  • D. 22
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答案:A。

这是函数 sin(πx)\sin(\pi x)[0,1][0,1] 上积分的 Riemann 和:

limn1nk=1nsinkπn=01sin(πx)dx=2π.\lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=1}^n\sin\frac{k\pi}{n} =\int_0^1\sin(\pi x)\,dx =\frac2\pi.

2. 广义积分比较

1+dxxp+xq,p>q,\int_1^{+\infty}\frac{dx}{x^p+x^q}, \qquad p>q,

收敛,则 p,qp,q 满足:

  • A. p<1p<1
  • B. q<1q<1
  • C. p1p\ge1
  • D. q1q\ge1
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答案:C。

因为 p>qp>q,当 x+x\to+\infty 时,xp+xqxpx^p+x^q\sim x^p,所以积分实际收敛当且仅当 p>1p>1。在给出的选项中,由此必然成立的是 p1p\ge1

3. 变上限积分

设函数 f(x)f(x)(,+)(-\infty,+\infty) 上可导,下列结论正确的是:

  • A. ddx(f(x)dx)=f(x)+C\displaystyle\frac d{dx}\left(\int f(x)\,dx\right)=f(x)+C
  • B. f(x)dx=f(x)\displaystyle\int f'(x)\,dx=f(x)
  • C. (12f(t)dt)=f(t)\displaystyle\left(\int_1^2f(t)\,dt\right)'=f(t)
  • D. (1xf(t)dt)=f(x)\displaystyle\left(\int_1^xf(t)\,dt\right)'=f(x)
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答案:D。

D 是微积分基本定理。A 求导后不应再出现积分常数;B 的不定积分应带任意常数;C 是常数对外部变量求导,结果为 00

4. 积分方程

f(x)C[0,+)f(x)\in C[0,+\infty)f(x)0f(x)\ge0,且

f(x)=0xf(t)dt.f(x)=\int_0^xf(t)\,dt.

则关于 f(x)f(x) 的正确结论是:

  • A. 无界
  • B. 严格单调
  • C. 任意阶可导
  • D. 不恒等于零
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答案:C。

由积分方程先得 f(x)=f(x)f'(x)=f(x),并且 f(0)=0f(0)=0。因此唯一解为 f0f\equiv0。零函数有任意阶导数,所以 C 正确,其余三项均不正确。

5. 奇偶性与定积分

计算

11x21+x2(1+sin3xcos2x)dx.\int_{-1}^1\frac{x^2}{1+x^2} \left(1+\sin^3x\cos^2x\right)dx.
  • A. 00
  • B. π/2\pi/2
  • C. 2π/22-\pi/2
  • D. 22
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答案:C。

sin3xcos2x\sin^3x\cos^2x 的部分是奇函数,在对称区间上的积分为 00。所以

I=201x21+x2dx=201(111+x2)dx=2π2.\begin{aligned} I &=2\int_0^1\frac{x^2}{1+x^2}dx\\ &=2\int_0^1\left(1-\frac1{1+x^2}\right)dx =2-\frac\pi2. \end{aligned}

6. 广义积分敛散性

下列广义积分收敛的是:

  • A. 0+dx1+x2\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{dx}{\sqrt{1+x^2}}
  • B. 1+sinxxdx\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\sin x}{\sqrt x}\,dx
  • C. 1+dxx\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{dx}{\sqrt x}
  • D. 1+1+sinxxdx\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{1+\sin x}{x}\,dx
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答案:B。

B 中 x1/2x^{-1/2} 单调趋于 00,而 1Asinxdx\int_1^A\sin x\,dx 一致有界,由 Dirichlet 判别法可知收敛。A、C 都与幂积分判别矛盾;D 含有发散的 1+dx/x\int_1^{+\infty}dx/x,而振荡项不能抵消其正向发散。

二、计算证明题(每题 6 分,共 30 分)

1. 分部积分

计算

ln(x+1+x2)dx.\int\ln\left(x+\sqrt{1+x^2}\right)dx.
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注意

ddxln(x+1+x2)=11+x2.\frac d{dx}\ln\left(x+\sqrt{1+x^2}\right) =\frac1{\sqrt{1+x^2}}.

分部积分得

xln(x+1+x2)1+x2+C.\boxed{ x\ln\left(x+\sqrt{1+x^2}\right)-\sqrt{1+x^2}+C }.

2. 有理函数积分

计算

x2x2+2x+3dx.\int\frac{x-2}{x^2+2x+3}\,dx.
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把分子写成 [2x+2]/23[2x+2]/2-3,并把分母配成 (x+1)2+2(x+1)^2+2

x2x2+2x+3dx=12ln(x2+2x+3)32arctanx+12+C.\begin{aligned} \int\frac{x-2}{x^2+2x+3}dx &=\frac12\ln(x^2+2x+3)\\ &\quad-\frac3{\sqrt2}\arctan\frac{x+1}{\sqrt2}+C. \end{aligned}

3. 三角函数积分

证明

0π/2sin2016xdx=0π/2cos2016xdx.\int_0^{\pi/2}\sin^{2016}x\,dx =\int_0^{\pi/2}\cos^{2016}x\,dx.
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在左侧积分中令 x=π/2tx=\pi/2-t,则 dx=dtdx=-dt,且 sinx=cost\sin x=\cos t。换限后立刻得到右侧积分。

4. 无穷积分

计算

0+x5ex2dx.\int_0^{+\infty}x^5e^{-x^2}dx.
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u=x2u=x^2,则 x5dx=u2du/2x^5dx=u^2du/2

0+x5ex2dx=120+u2eudu=12Γ(3)=1.\int_0^{+\infty}x^5e^{-x^2}dx =\frac12\int_0^{+\infty}u^2e^{-u}du =\frac12\Gamma(3) =\boxed1.

5. 瑕积分

计算

01dx(2x)1x.\int_0^1\frac{dx}{(2-x)\sqrt{1-x}}.
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x=1x=1 是瑕点。令 t=1xt=\sqrt{1-x},则 x=1t2x=1-t^2dx=2tdtdx=-2t\,dt

01dx(2x)1x=201dt1+t2=π2.\int_0^1\frac{dx}{(2-x)\sqrt{1-x}} =2\int_0^1\frac{dt}{1+t^2} =\boxed{\frac\pi2}.

三、积分定义的函数(6 分)

f(x)>0f(x)>0[0,+)[0,+\infty) 上连续,

G(x)=0xtf(t)dt0xf(t)dt.G(x)=\frac{\displaystyle\int_0^xtf(t)\,dt} {\displaystyle\int_0^xf(t)\,dt}.

证明 G(x)G(x)(0,+)(0,+\infty) 上严格单调递增。

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由商的求导法则,

G(x)=xf(x)0xf(t)dtf(x)0xtf(t)dt(0xf(t)dt)2=0x(xt)f(x)f(t)dt(0xf(t)dt)2.\begin{aligned} G'(x) &=\frac{xf(x)\int_0^xf(t)dt -f(x)\int_0^xtf(t)dt} {\left(\int_0^xf(t)dt\right)^2}\\ &=\frac{\int_0^x(x-t)f(x)f(t)dt} {\left(\int_0^xf(t)dt\right)^2}. \end{aligned}

x>0x>0 时,分母为正;分子中的被积函数非负且不恒为零,故分子也为正。因此 G(x)>0G'(x)>0GG 严格递增。

四、切线、面积与旋转体(10 分)

考虑曲线 y=f(x)=lnxy=f(x)=\ln xx[1,2]x\in[1,2]。过曲线上任意一点 (x,f(x))(x,f(x)) 作切线,该切线与 xx 轴的交点记为 (g(x),0)(g(x),0)。记曲线 g(x)g(x)xx 轴所围成的曲边梯形为 DD

  1. g(x)g(x)
  2. DD 的面积;
  3. DDxx 轴旋转一周所得旋转体的体积。
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在点 (x,lnx)(x,\ln x) 处,切线斜率为 1/x1/x。令切线上的横坐标为 XX,则

ylnx=1x(Xx).y-\ln x=\frac1x(X-x).

y=0y=0,得到

g(x)=xxlnx=x(1lnx).g(x)=x-x\ln x=x(1-\ln x).

[1,2][1,2]g(x)0g(x)\ge0,所以面积为

SD=12g(x)dx=942ln2.S_D=\int_1^2g(x)dx =\boxed{\frac94-2\ln2}.

旋转体体积为

V=π12[g(x)]2dx=π12x2(1lnx)2dx.V=\pi\int_1^2[g(x)]^2dx =\pi\int_1^2x^2(1-\ln x)^2dx.

计算得到

V=π[11927649ln2+83(ln2)2].\boxed{ V=\pi\left[ \frac{119}{27}-\frac{64}{9}\ln2 +\frac83(\ln2)^2 \right] }.

五、常微分方程(10 分)

求二阶线性非齐次常微分方程

yy+y=(sinx)exy''-y'+y=(\sin x)e^{-x}

的通解。

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特征方程 λ2λ+1=0\lambda^2-\lambda+1=0 的根为

λ1,2=1±i32.\lambda_{1,2}=\frac{1\pm i\sqrt3}{2}.

齐次通解为

Y=ex/2[C1cos3x2+C2sin3x2].Y=e^{x/2}\left[ C_1\cos\frac{\sqrt3x}{2} +C_2\sin\frac{\sqrt3x}{2} \right].

设非齐次特解为

y=ex(Acosx+Bsinx).y^*=e^{-x}(A\cos x+B\sin x).

代入并比较 cosx\cos xsinx\sin x 的系数,得到

2A3B=0,3A+2B=1,2A-3B=0, \qquad 3A+2B=1,

所以 A=3/13A=3/13B=2/13B=2/13。通解为

y=ex/2[C1cos3x2+C2sin3x2]+ex(313cosx+213sinx).\boxed{ y=e^{x/2}\left[ C_1\cos\frac{\sqrt3x}{2} +C_2\sin\frac{\sqrt3x}{2} \right] +e^{-x}\left(\frac3{13}\cos x+\frac2{13}\sin x\right) }.

六、含参数广义积分(10 分)

讨论 pp 取何值时

1+sin(x2)xpdx\int_1^{+\infty}\frac{\sin(x^2)}{x^p}dx

收敛,并判定条件收敛与绝对收敛。

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t=x2t=x^2,得到

1+sin(x2)xpdx=121+sintt(p+1)/2dt.\int_1^{+\infty}\frac{\sin(x^2)}{x^p}dx =\frac12\int_1^{+\infty} \frac{\sin t}{t^{(p+1)/2}}dt.

(p+1)/2>0(p+1)/2>0,即 p>1p>-1 时,幂因子单调趋于 00,由 Dirichlet 判别法知积分收敛。

绝对收敛需要 (p+1)/2>1(p+1)/2>1,即 p>1p>1。在 1<p1-1<p\le1 时原积分收敛而绝对值积分发散,因此条件收敛。p1p\le-1 时被积振荡项的振幅不趋于 00,积分发散。

结论:

  • p>1p>1:绝对收敛;
  • 1<p1-1<p\le1:条件收敛;
  • p1p\le-1:发散。

七、积分不等式(10 分)

设函数 f(x)0f(x)\ge0[0,1][0,1] 上连续且单调递减,0<α<β<10<\alpha<\beta<1。证明

0αf(x)dxαβαβf(x)dx.\int_0^\alpha f(x)dx \ge\frac\alpha\beta\int_\alpha^\beta f(x)dx.
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由积分中值定理,存在 ξ[0,α]\xi\in[0,\alpha]η[α,β]\eta\in[\alpha,\beta],使

1α0αf(x)dx=f(ξ),\frac1\alpha\int_0^\alpha f(x)dx=f(\xi), 1βααβf(x)dx=f(η).\frac1{\beta-\alpha}\int_\alpha^\beta f(x)dx=f(\eta).

因为 ff 单调递减且 ξη\xi\le\eta,所以 f(ξ)f(η)f(\xi)\ge f(\eta)。于是

0αf(x)dxαβααβf(x)dx.\int_0^\alpha f(x)dx \ge\frac\alpha{\beta-\alpha}\int_\alpha^\beta f(x)dx.

又因 βα<β\beta-\alpha<\beta,右侧不小于

αβαβf(x)dx,\frac\alpha\beta\int_\alpha^\beta f(x)dx,

故题设不等式成立。

八、附加题(10 分)

设可导函数 f(x)f(x) 的反函数为 g(x)g(x)f(0)=0f(0)=0,且

f(x)=x220f(x)g(t)dt.f(x)=x^2-2\int_0^{f(x)}g(t)dt.

01f(x)dx\displaystyle\int_0^1f(x)dx

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对等式求导:

f(x)=2x2g(f(x))f(x).f'(x)=2x-2g(f(x))f'(x).

由反函数关系 g(f(x))=xg(f(x))=x,所以

f(x)=2x1+2x.f'(x)=\frac{2x}{1+2x}.

结合 f(0)=0f(0)=0,积分得到

f(x)=0x2t1+2tdt=x12ln(1+2x).f(x)=\int_0^x\frac{2t}{1+2t}dt =x-\frac12\ln(1+2x).

因此

01f(x)dx=01[x12ln(1+2x)]dx=134ln3.\begin{aligned} \int_0^1f(x)dx &=\int_0^1\left[x-\frac12\ln(1+2x)\right]dx\\ &=\boxed{1-\frac34\ln3}. \end{aligned}

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