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
求
n→∞limn1k=1∑nsinnkπ.
- A. 2/π
- B. π/2
- C. π
- D. 2
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答案:A。
这是函数 sin(πx) 在 [0,1] 上积分的 Riemann 和:
n→∞limn1k=1∑nsinnkπ=∫01sin(πx)dx=π2.
2. 广义积分比较
若
∫1+∞xp+xqdx,p>q,
收敛,则 p,q 满足:
- A. p<1
- B. q<1
- C. p≥1
- D. q≥1
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答案:C。
因为 p>q,当 x→+∞ 时,xp+xq∼xp,所以积分实际收敛当且仅当 p>1。在给出的选项中,由此必然成立的是 p≥1。
3. 变上限积分
设函数 f(x) 在 (−∞,+∞) 上可导,下列结论正确的是:
- A. dxd(∫f(x)dx)=f(x)+C
- B. ∫f′(x)dx=f(x)
- C. (∫12f(t)dt)′=f(t)
- D. (∫1xf(t)dt)′=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 0。
4. 积分方程
设 f(x)∈C[0,+∞),f(x)≥0,且
f(x)=∫0xf(t)dt.
则关于 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),并且 f(0)=0。因此唯一解为 f≡0。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
∫−111+x2x2(1+sin3xcos2x)dx.
- A. 0
- B. π/2
- C. 2−π/2
- D. 2
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答案:C。
含 sin3xcos2x 的部分是奇函数,在对称区间上的积分为 0。所以
I=2∫011+x2x2dx=2∫01(1−1+x21)dx=2−2π.
6. 广义积分敛散性
下列广义积分收敛的是:
- A. ∫0+∞1+x2dx
- B. ∫1+∞xsinxdx
- C. ∫1+∞xdx
- D. ∫1+∞x1+sinxdx
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答案:B。
B 中 x−1/2 单调趋于 0,而 ∫1Asinxdx 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,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.
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注意
dxdln(x+1+x2)=1+x21.
分部积分得
xln(x+1+x2)−1+x2+C.
2. 有理函数积分
计算
∫x2+2x+3x−2dx.
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把分子写成 [2x+2]/2−3,并把分母配成 (x+1)2+2:
∫x2+2x+3x−2dx=21ln(x2+2x+3)−23arctan2x+1+C.
3. 三角函数积分
证明
∫0π/2sin2016xdx=∫0π/2cos2016xdx.
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在左侧积分中令 x=π/2−t,则 dx=−dt,且 sinx=cost。换限后立刻得到右侧积分。
4. 无穷积分
计算
∫0+∞x5e−x2dx.
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令 u=x2,则 x5dx=u2du/2:
∫0+∞x5e−x2dx=21∫0+∞u2e−udu=21Γ(3)=1.
5. 瑕积分
计算
∫01(2−x)1−xdx.
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x=1 是瑕点。令 t=1−x,则 x=1−t2、dx=−2tdt:
∫01(2−x)1−xdx=2∫011+t2dt=2π.
三、积分定义的函数(6 分)
设 f(x)>0 在 [0,+∞) 上连续,
G(x)=∫0xf(t)dt∫0xtf(t)dt.
证明 G(x) 在 (0,+∞) 上严格单调递增。
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由商的求导法则,
G′(x)=(∫0xf(t)dt)2xf(x)∫0xf(t)dt−f(x)∫0xtf(t)dt=(∫0xf(t)dt)2∫0x(x−t)f(x)f(t)dt.
当 x>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)>0,G 严格递增。
四、切线、面积与旋转体(10 分)
考虑曲线 y=f(x)=lnx,x∈[1,2]。过曲线上任意一点 (x,f(x)) 作切线,该切线与 x 轴的交点记为 (g(x),0)。记曲线 g(x) 与 x 轴所围成的曲边梯形为 D。
- 求 g(x);
- 求 D 的面积;
- 求 D 绕 x 轴旋转一周所得旋转体的体积。
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在点 (x,lnx) 处,切线斜率为 1/x。令切线上的横坐标为 X,则
y−lnx=x1(X−x).
令 y=0,得到
g(x)=x−xlnx=x(1−lnx).
在 [1,2] 上 g(x)≥0,所以面积为
SD=∫12g(x)dx=49−2ln2.
旋转体体积为
V=π∫12[g(x)]2dx=π∫12x2(1−lnx)2dx.
计算得到
V=π[27119−964ln2+38(ln2)2].
五、常微分方程(10 分)
求二阶线性非齐次常微分方程
y′′−y′+y=(sinx)e−x
的通解。
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特征方程 λ2−λ+1=0 的根为
λ1,2=21±i3.
齐次通解为
Y=ex/2[C1cos23x+C2sin23x].
设非齐次特解为
y∗=e−x(Acosx+Bsinx).
代入并比较 cosx、sinx 的系数,得到
2A−3B=0,3A+2B=1,
所以 A=3/13、B=2/13。通解为
y=ex/2[C1cos23x+C2sin23x]+e−x(133cosx+132sinx).
六、含参数广义积分(10 分)
讨论 p 取何值时
∫1+∞xpsin(x2)dx
收敛,并判定条件收敛与绝对收敛。
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令 t=x2,得到
∫1+∞xpsin(x2)dx=21∫1+∞t(p+1)/2sintdt.
当 (p+1)/2>0,即 p>−1 时,幂因子单调趋于 0,由 Dirichlet 判别法知积分收敛。
绝对收敛需要 (p+1)/2>1,即 p>1。在 −1<p≤1 时原积分收敛而绝对值积分发散,因此条件收敛。p≤−1 时被积振荡项的振幅不趋于 0,积分发散。
结论:
- p>1:绝对收敛;
- −1<p≤1:条件收敛;
- p≤−1:发散。
七、积分不等式(10 分)
设函数 f(x)≥0 在 [0,1] 上连续且单调递减,0<α<β<1。证明
∫0αf(x)dx≥βα∫αβf(x)dx.
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由积分中值定理,存在 ξ∈[0,α] 与 η∈[α,β],使
α1∫0αf(x)dx=f(ξ),
β−α1∫αβf(x)dx=f(η).
因为 f 单调递减且 ξ≤η,所以 f(ξ)≥f(η)。于是
∫0αf(x)dx≥β−αα∫αβf(x)dx.
又因 β−α<β,右侧不小于
βα∫αβf(x)dx,
故题设不等式成立。
八、附加题(10 分)
设可导函数 f(x) 的反函数为 g(x),f(0)=0,且
f(x)=x2−2∫0f(x)g(t)dt.
求 ∫01f(x)dx。
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对等式求导:
f′(x)=2x−2g(f(x))f′(x).
由反函数关系 g(f(x))=x,所以
f′(x)=1+2x2x.
结合 f(0)=0,积分得到
f(x)=∫0x1+2t2tdt=x−21ln(1+2x).
因此
∫01f(x)dx=∫01[x−21ln(1+2x)]dx=1−43ln3.