邓嘉驹
数学分析(B2)汇总/往年真题自解

数学分析(B2)历年真题解(自 2012 年到 2024 年)

第四部分 · 第 1 份 · 2025.06.25 · 48 页 · Mathematical Analysis (B2) · Past Papers, 2012–2024

1期中考试

1.1 2023-2024年期中

  1. 1.
    1. (1)

      求函数在点沿方向的方向导数.

    2. (2)

      求过直线且与平面垂直的平面方程.

      解

      对于此交面式直线方程,可设绕该定直线的平面系方程为

      (1.1.1)

      因此与垂直给出

      (1.1.2)

      因此该平面方程为

      (1.1.3)
    3. (3)

      设函数具有连续的一阶偏导数,且,求函数在处的微分.

    4. (4)

      求.

    5. (5)

      已知是由方程所确定的隐函数,其中具有连续的一阶偏导数,且,求和.

    6. (6)

      计算,其中区域.

      解

      注意到关于对称,而关于为奇函数,故该项积分值为零. 剩余积分仍考虑半球面的等值面,因此

      (1.1.4)
    7. (7)

      上有连续二阶偏导数,求积分.

2期末考试

2.1 2023-2024期末

  1. 1.
    1. (1)

      设的余弦级数的和函数为,求.

      解

      可将在上作偶延拓,再将上的结果在上作周期延拓. 由于在上分段可微,从而延拓后同样分段可微,那么

      (2.1.1)
    2. (2)

      计算曲线积分,其中.

      解

      由题意,

      (2.1.2)
    3. (3)

      计算曲面积分,这里是螺旋面,其中.

      解

      计算面元:

      (2.1.3)

      因此

      (2.1.4)
    4. (4)

      计算

      (2.1.5)

      其中为上半球面,方向取上侧.

      解

      考虑正向曲面,其方向沿轴正方向,那么构成方向向外的闭曲面,由Gauss定理,

      (2.1.6)

      另一方面,

      (2.1.7)

      因此

      (2.1.8)
    5. (5)

      计算,其中是与的交线,从轴往负向看为逆时针方向.

      解

      取曲面为球面上被曲线所包围的部分,则由Stoke定理,

      (2.1.9)

      其中最后一个等式用到了曲面关于的对称性. 考虑正交变换则,面元变为上的面元,此时

      (2.1.10)
    6. (6)

      设可微且具有连续的导数,,求.

      解

      由题意,

      (2.1.11)
      (2.1.12)
    7. (7)

      计算积分.

      解

      由题意,

      (2.1.13)

      其中最后一行已用到余元公式.

  2. 2.

    设试将函数在区间上展开成正弦级数并指出其收敛性,并由此证明.

    解

    先将在上作奇延拓,由于在上分段可微,由Dirichlet定理,其Fourier系数为且

    (2.1.14)

    注意到,因此在上,奇延拓后的满足

    (2.1.15)

    由Parseval等式,

    (2.1.16)
  3. 3.

    证明向量场是全空间的有势场,并求其势函数.

    解

    由题意,

    (2.1.17)

    因此为有势场,其势函数为

    (2.1.18)
  4. 4.

    设广义积分为

    (2.1.19)

    请分别指出并证明该广义积分绝对收敛和条件收敛时参数的取值范围.

    解

    记. 首先注意到当时,对,

    (2.1.20)

    即该积分对一致有界,并且对于任一固定的,

    (2.1.21)

    当时,且关于单调增,因此,并且当时,

    (2.1.22)

    即关于单调且一致趋于0,由Dirichlet判别法,该广义积分收敛.

    1. (1)

      当时,

      (2.1.23)

      由Weierstrass判别法,该广义积分绝对收敛.

    2. (2)

      当时,,并且

      (2.1.24)

      而发散,故发散,该广义积分条件收敛.

    3. (3)

      当时,由于在上成立,而后者在上的积分发散,故发散,该广义积分条件收敛.

    综上,该广义积分在时绝对收敛,在时条件收敛.

  5. 5.

    计算

    (2.1.25)

    其中为单位圆,取逆时针方向.

    解

    这类题相当套路化,特征是分母形式为,所包围的区域含该形式的奇点,即原点. 这里取分母的正向等值线,那么

    (2.1.26)

    在与所包围的区域内使用Green公式:

    (2.1.27)

    因此

    (2.1.28)
  6. 6.

    设和在三维空间上有连续偏导数,记上半球面

    (2.1.29)

    其方向向上. 若对任意点和,第二型曲面积分为,求证:.

    解

    考虑正向曲面,其方向沿轴负方向,那么构成方向向外的闭曲面,其包围的区域记为. 由Gauss定理,

    (2.1.30)

    另一方面,

    (2.1.31)

    由题意,

    (2.1.32)

    由积分中值定理,且,使得

    (2.1.33)
    (2.1.34)

    由于的选择任意,令上式两端. 又因为具有连续偏导数,故. 注意到的选择也是任意的,从而对于,. 将其代回上式,可得

    (2.1.35)

    其中已用到具有连续偏导数的条件. 再结合的任意性,可知对于,.

  7. 7.

    设,其中.

    1. (1)

      求证:对于任何的,广义积分在区间上一致收敛.

    2. (2)

      求证:对任意的,有

      (2.1.36)
    解

    在正式解题之前,先说明若要证明对于形如型函数的广义积分收敛,其解法是十分套路化的,这里分别为关于的次多项式函数. 在上,若,直接利用时的等价无穷小即可; 若,利用

    (2.1.37)

    取满足另一函数收敛即可. 在上,利用

    (2.1.38)

    取满足另一函数收敛即可.

    1. (1)

      对于,显然该广义积分在处无奇点. 记,则与的敛散性相同,而后者收敛. 并且

      (2.1.39)

      在时成立,即关于单调递减,且

      (2.1.40)

      因此在上有界. 由Abel判别法,广义积分收敛. 由Weierstrass判别法,该广义积分在上一致收敛.

    2. (2)

      感谢王艺锟同学提供的简便解法! 由上一问的结论,对,总,使得当时,均一致收敛,因此

      (2.1.41)

      从而

      (2.1.42)

      将上式最后一行的两个等式相加,可得当时,

      (2.1.43)

      由的任意性,上式对成立.

2.2 2022-2023期末

  1. 1.
    1. (1)

      计算,其中为,方向为增加的方向.

      解

      对于任意闭区域,由Green公式,

      (2.2.1)

      注意到路径的初末态分别为和,记同初末态且沿线段的路径为,与围成的区域记为,则

      (2.2.2)
    2. (2)

      求曲面积分,其中是曲面,方向取下侧.

      解

      记有向平面区域,其方向沿轴负向,则围成一闭区域. 由Gauss定理,

      (2.2.3)
    3. (3)

      求极限:.

      解

      利用Euler积分和余元公式,

      (2.2.4)
  2. 2.

    求幂级数的收敛于及和函数.

    解

    由题意,该幂级数收敛时满足

    (2.2.5)

    记其和函数为,则当时,

    (2.2.6)

    利用可得

    (2.2.7)
  3. 3.

    设是以为周期的函数,且求的Fourier级数,并计算和的值.

    解

    由于在内连续且分段可微,结合其偶函数性质可得Fourier系数:且

    (2.2.8)
    (2.2.9)

    因此收敛于其Fourier级数:

    (2.2.10)

    由Parseval等式,

    (2.2.11)

    另一方面,

    (2.2.12)

    从而

    (2.2.13)
  4. 4.

    利用Dirichlet积分来计算

    (2.2.14)

    其中.

    解

    记,由于,故并非的奇点. 又因为,而收敛,由Weierstrass判别法,关于一致收敛,并且

    (2.2.15)

    收敛,其中已利用Dirichlet积分以及,因此

    (2.2.16)
  5. 5.

    已知函数项级数.

    1. (1)

      证明:在非一致收敛.

    2. (2)

      证明:在连续.

    解
    1. (1)

      记级数每一项为,则

      (2.2.17)

      注意到,因此

      (2.2.18)

      从而在非一致收敛.

    2. (2)

      对,当时,总,当时1,

      (2.2.19)

      即该部分和一致有界,并且单调递减,由Dirichlet判别法,在内一致收敛,从而在点处连续. 由于的任意性,在上连续.

  6. 6.

    设

    (2.2.20)
    1. (1)

      证明:在上有连续的导函数.

    2. (2)

      计算的值.

    解
    1. (1)

      记,对,均,使得在上成立. 首先并非的奇点,那么考虑其在内的积分. 易知收敛,并且当时,

      (2.2.21)

      另一方面有

      (2.2.22)

      因此该函数在内有界. 由Abel判别法,广义积分一致收敛. 由Weierstrass判别法,广义积分在内收敛,同时

      (2.2.23)

      收敛,并且上述积分值在时的极限为1,因此

      (2.2.24)

      在上连续.

    2. (2)

      由上一小问的结论,

      (2.2.25)

      其中. 当时,函数收敛于其Taylor级数,因此

      (2.2.26)

      此时幂级数的收敛半径为1,因此当时,无穷求和与积分可交换,即

      (2.2.27)

      积分后,幂级数的收敛区间为,因此

      (2.2.28)

      另一方面,记,首先有

      (2.2.29)

      并且

      (2.2.30)

      在时成立,,因此在内单调且有界. 由Dirichlet判别法,广义积分收敛于某一与有关的常数,从而

      (2.2.31)

      综上,

      (2.2.32)
  7. 7.

    设是由简单光滑闭曲线围城的区域,在上具有连续的偏导数. 记.

    1. (1)

      证明:

      (2.2.33)
    2. (2)

      对于,均有. 证明:

      (2.2.34)
    解
    1. (1)

      由Green公式,

      (2.2.35)
    2. (2)

      仿照上一问的思路,可证明对偶表达式:

      (2.2.36)

      将这两式中的替换为并相加,代入在上恒为零的条件,可得

      (2.2.37)

      其中最后两行均使用到了Cauchy-Schwarz不等式,代入得

      (2.2.38)

2.3 2021-2022期末

  1. 1.

    求.

    解

    .

  2. 2.

    求函数的Fourier系数.

    解

    注意到,因此,其余.

  3. 3.

    求向量场沿曲线

    (2.3.1)

    的积分,其中是曲线的正向参数.

    解

    注意到对于空间中任一闭合曲线及任一以为边界的有向曲面,由Stokes公式,

    (2.3.2)

    因此沿曲线的第二型曲线积分与路径无关,而的初末位置分别为和,考虑从到的直线段,从而

    (2.3.3)
  4. 4.

    求函数在区间上展开为Fourier级数,由此求级数与的和.

    解

    注意到在内为偶函数且分段可微,由Dirichlet定理,在该区间上的Fourier系数为且

    (2.3.4)
    (2.3.5)

    因此

    (2.3.6)
    (2.3.7)

    由Parseval等式,

    (2.3.8)
  5. 5.

    求向量场在球面的积分,曲面的正向是外法向.

    解

    记闭曲面包围的区域为,由Gauss定理,

    (2.3.9)

    其中第三行已利用关于对称的特性.

  6. 6.

    设常数都是正实数,平面向量场.

    1. (1)

      求在的所有势函数.

    2. (2)

      证明不是区域上的保守(有势)场.

    解
    1. (1)

      为单连通区域,对于内任一闭区域,由Green公式,

      (2.3.10)

      因此在内为有势场,其势函数为

      (2.3.11)
    2. (2)

      并非单连通区域,考虑正向闭路,容易计算

      (2.3.12)

      而对于内任一包含原点的区域,总,使得在内. 记与所包围的区域为,由Green公式,

      (2.3.13)

      可见对于内的任一路径,总可以构造另一与其同初末态的路径,使得与围成的区域包含原点,从而沿路径和的第二型曲线积分值相差,即积分值与路径有关,因此不是上的保守场.

  7. 7.

    证明反常积分收敛,并求其值.

    解

    考虑含参变量的反常积分

    (2.3.14)

    由于与同敛散且后者收敛,同时

    (2.3.15)

    对成立,并且

    (2.3.16)

    因此该函数在上单调且一致有界,由Abel判别法,收敛. 又因为,由Weierstrass判别法,在上一致收敛. 另一方面,

    (2.3.17)

    在上收敛,因此可微,且

    (2.3.18)
    (2.3.19)
  8. 8.

    设函数在上有二阶连续偏导数,并且对任一点及任意正数有

    (2.3.20)

    其中是以为球心、为半径的球面. 求证:满足Laplace方程

    (2.3.21)
    解

    感谢王艺锟同学提供的简便解法! 记点为球面上任一点,则,其中为单位径矢,恰为球面法向,因此在球坐标下,

    (2.3.22)

    这里关于偏导为零可直观理解为为单位向量、不含任何长度信息(与无关),或者直接将其用球坐标在直角坐标系下表示:

    (2.3.23)

    可见与无关. 记为球心为、半径为的球域,将题设条件化为:

    (2.3.24)

    因此

    (2.3.25)

    其中最后一行已用到积分中值定理,可得. 由的任意性以及具有二阶连续偏导数,令,可得. 由的任意性,可知对,均有.

2.4 2020-2021期末

  1. 1.

    设,求.

    解

    由变上下限积分的求导法则,

    (2.4.1)

    其中

    (2.4.2)

    整理得

    (2.4.3)
  2. 2.

    设.

    1. (1)

      证明是有势场.

    2. (2)

      求其全体势函数.

    3. (3)

      计算.

    解
    1. (1)

      由题意,

      (2.4.4)

      因此在的区域内为有势场.

    2. (2)

      由题意,其势函数

      (2.4.5)

      因此,可设,从而

      (2.4.6)

      因此势函数为

      (2.4.7)
    3. (3)

      由题意,

      (2.4.8)
  3. 3.
    1. (1)

      计算曲线积分,其中为圆周、直线及轴在第一象限中所围图形边界.

      解

      由题意,

      (2.4.9)
      (2.4.10)
      (2.4.11)

      因此

      (2.4.12)
    2. (2)

      设在圆盘上有二阶连续偏导数,且

      (2.4.13)

      为边界圆周的单位外法向,计算曲线积分.

      解

      参考作业题11.3.7的思路,设曲线上某一线元的单位法向为,则其对应的正向线元

      (2.4.14)

      从而

      (2.4.15)

      因此原式可化为

      (2.4.16)
  4. 4.

    计算积分,其中是曲线绕轴旋转生成的旋转面,法向与轴正向夹角为钝角.

    解

    记有向曲面,其方向沿轴正向,则围成法向向外的有向闭曲面,其围成的区域为. 由Gauss定理,

    (2.4.17)
  5. 5.

    记,计算曲线积分

    (2.4.18)

    其中是球面与柱面的交线,从轴的正向看去,沿顺时针方向.

    解

    采用Stokes公式可得

    (2.4.19)

    其中有向曲面取为球面上被包围的区域,因此

    (2.4.20)

    注意到关于对称,因此

    (2.4.21)
  6. 6.
    1. (1)

      将展开成余弦级数.

    2. (2)

      求数项级数的和.

    解
    1. (1)

      先将在上做偶延拓得到. 由于在上连续且分段可微,故在上连续且分段可微,由Dirichlet定理,其Fourier系数为且

      (2.4.22)
      (2.4.23)

      因此的余弦级数收敛于其自身,即

      (2.4.24)
    2. (2)

      由题意,

      (2.4.25)
      (2.4.26)

      因此

      (2.4.27)

      由Parseval等式,

      (2.4.28)

      类似地,

      (2.4.29)

      因此

      (2.4.30)
  7. 7.
    1. (1)

      求使积分收敛的参数取值范围.

    2. (2)

      收敛时,利用Euler积分计算.

    3. (3)

      证明:含参变量广义积分在区间上一致收敛.

    解
    1. (1)

      将积分区域拆分为和考虑. 在内,被积函数在时等价于,而仅在时收敛; 在内,在时等价于,而仅在即时收敛. 综上,收敛时.

    2. (2)

      由题意,

      (2.4.31)

      其中第二行已利用B函数的定义以及余元公式.

    3. (3)

      仿第(1)问的证明,在内,,而收敛; 在内,,而收敛. 由Weierstrass判别法,在内一致收敛.

  8. 8.

    设具有二阶连续偏导数,且对任一点为圆心,任意为半径的半圆,恒有

    (2.4.32)

    证明:.

    证明

    考虑从到的直线段,记与围成的区域为,取为正向曲线,则由Green公式,

    (2.4.33)

    利用积分中值定理,且,使得

    (2.4.34)

    注意到具有二阶连续偏导数,上式两端分别令,可得. 再由的任意性,可得对,均有. 将其代入上式,类似可得

    (2.4.35)

2.5 2019-2020期末

  1. 1.

    设在上有连续的偏导数,令,求.

    解

    由变上下限积分的求导法则,

    (2.5.1)
  2. 2.

    计算三重积分,其中积分区域由曲面与平面围成.

    解

    作柱坐标变换,可得

    (2.5.2)
  3. 3.

    计算积分.

    解

    记,该含参变量反常积分为. Dirichlet积分给出收敛,而当时,单调减且分别有上下界1和0,,由Abel判别法,该含参变量积分一致收敛. 注意到

    (2.5.3)

    因此

    (2.5.4)

    收敛,进而

    (2.5.5)
  4. 4.

    设,利用Euler积分计算积分.

    解

    由题意,

    (2.5.6)
  5. 5.

    计算曲面积分

    (2.5.7)

    其中为圆柱面被和所截部分的外侧.

    解

    考虑柱坐标下沿方面的面元,则有

    (2.5.8)
  6. 6.
    1. (1)

      将函数展开成以为周期的Fourier级数(须讨论其收敛性).

    2. (2)

      分别求级数和的值.

    解

    由于在内为偶函数且分段可微,由Dirichlet定理,其Fourier系数为且

    (2.5.9)
    (2.5.10)

    因此

    (2.5.11)

    直接计算得

    (2.5.12)

    由Parseval等式,

    (2.5.13)
  7. 7.

    试定出正数,使曲面

    (2.5.14)

    在第一象限某一点相切,即有共同的切平面.

    解

    设该切点为,两个曲面在该点的法向量分别为

    (2.5.15)

    对应的切平面分别为

    (2.5.16)

    曲面相切要求该点切平面重合,即

    (2.5.17)

    将上述方程代入椭圆方程,可得切点为,进而

    (2.5.18)
  8. 8.

    讨论在处的连续性与可微性.

    解

    考虑在极坐标下的表示:

    (2.5.19)

    当时,即沿某一过原点的曲线趋于原点,由夹逼准则,

    (2.5.20)

    因此在原点连续. 由偏导数的定义,

    (2.5.21)

    因此极限

    (2.5.22)

    不存在,故在原点不可微.

  9. 9.

    设在单位圆盘上有一阶连续偏导数,且,证明:在单位圆周上存在一点,使得.

    解

    注意到偏导相等的条件可与Green公式结合,因此构造

    (2.5.23)

    在边界上,令,可得

    (2.5.24)

    其中最后一行已用到积分中值定理,因此,使得

    (2.5.25)
  10. 10.

    设函数在区域上具有连续的二阶偏导数,且满足

    (2.5.26)

    计算

    (2.5.27)
    解

    利用Leibniz法则,可将被积函数写为

    (2.5.28)

    对第一项使用Gauss定理:

    (2.5.29)

    因此原积分化为

    (2.5.30)
  11. 11.
    1. (1)

      设,其中是正交常数矩阵. 证明:对平面上任意的光滑(至少有二阶连续偏导数)数量场,有

      (2.5.31)
    2. (2)

      设变换有二阶连续的偏导数. 已知对平面的任意光滑数量场,下列等式成立

      (2.5.32)
      1. i.

        证明:参数变换的Jacobi矩阵是正交矩阵.

      2. ii.

        证明:是常值矩阵.

    解
    1. (1)

      由题意,

      (2.5.33)

      设该变换矩阵为,则同样为正交常数矩阵,因此

      (2.5.34)

      其中已利用,为二阶单位阵. 将该算符等式作用于平面上任意的光滑数量场,得证.

    2. (2)

      由链式法则,

      (2.5.35)

      对类似,将其代入题设条件:

      (2.5.36)

      由于上述等式对于平面上任意的光滑的数量场成立,因此分别设和,可得

      (2.5.37)

      对任意满足条件的成立. 再分别设和,代入上述条件,可得

      (2.5.38)

      对任意满足条件的成立. 最后设,代入上述所有条件,可得

      (2.5.39)

      综上,若设参数变换矩阵为,则

      (2.5.40)

      因此为参数变换矩阵.

      另一方面,将(2.5.38)式两端分别对求偏导,并与(2.5.37)式联立,可得

      (2.5.41)

      对成立,因此将分别在原点处作二阶Taylor展开:

      (2.5.42)
      (2.5.43)

      因此各项均为常数,从而为常值矩阵.

2.6 2018-2019期末

  1. 1.

    设已知方程确定了一个隐函数,求.

    解

    由隐函数求导法则,

    (2.6.1)
    (2.6.2)

    因此

    (2.6.3)
  2. 2.

    求曲面包含在原著内的部分面积.

    解

    注意到圆锥面为被截曲面,圆柱面为截面,记该部分曲面为,则其面积

    (2.6.4)
  3. 3.

    求积分

    (2.6.5)

    其中为椭球内部.

    解

    考虑广义球坐标变换利用仿射变换后的旋转对称性,可直接对积分:

    (2.6.6)
  4. 4.

    设

    (2.6.7)

    是定义在上的向量场,其中.

    1. (1)

      证明:的旋度.

    2. (2)

      求向量场的势函数.

    解

    将向量场化为

    (2.6.8)

    因此该向量场为梯度场,旋度自然为零,其势函数为,为某一待定常数.

  5. 5.

    设向量场,曲面,它的正向是外法向. 求向量场在定向曲面上的积分

    (2.6.9)
    解

    注意到

    (2.6.10)

    在包围的区域内具有奇点,其在上的积分先代入的方程再使用Gauss定理,即

    (2.6.11)
  6. 6.

    计算无穷积分

    (2.6.12)
    解

    由题意,

    (2.6.13)
  7. 7.

    设,求该函数的余弦级数,并证明:

    (2.6.14)
    解

    先将在上做偶延拓得. 由于在上连续且分段可微,由Dirichlet定理,其Fourier系数为且

    (2.6.15)
    (2.6.16)

    因此的余弦级数为

    (2.6.17)

    进而可计算得

    (2.6.18)
  8. 8.

    设,求证:

    1. (1)

      在上连续.

    2. (2)

      在上可导.

    3. (3)

      在上二阶可导且满足方程

      (2.6.19)
    解
    1. (1)

      记,显然并非其奇点. 注意到,而收敛. 由Weierstrass判别法,该广义积分在上一致收敛,从而连续.

    2. (2)

      注意到当时,

      (2.6.20)

      而被积函数在上有控制函数,并且

      (2.6.21)

      收敛,由Weierstrass判别法,该广义积分收敛,且

      (2.6.22)
    3. (3)

      将上一问的结果继续化简:

      (2.6.23)

      记,则,而收敛,由Weierstrass判别法,该等式可微且

      (2.6.24)

      即证明得

      (2.6.25)

2.7 2017-2018期末

  1. 1.

    设具有一阶连续偏导数,是方程

    (2.7.1)

    (其中为常数)所确定的隐函数,试求

    (2.7.2)

    的值.

    解

    由隐函数求导法则,

    (2.7.3)
  2. 2.

    求二元函数在的Taylor展开的前4项(直到3次).

    解

    记,对单变量函数作Taylor展开即可:

    (2.7.4)
  3. 3.

    设

    (2.7.5)

    是平面向量场. 问常数满足什么条件时,是一个有势场,并求它的一个势函数.

    解

    势函数要求积分与路径无关,由Green定理,对平面内任一闭区域,满足

    (2.7.6)

    对平面上所有点成立,因此,其势函数为

    (2.7.7)
  4. 4.

    设都是正数,求

    (2.7.8)
    解

    由于表达式中含(项),因此向函数化. 记,则,那么

    (2.7.9)
  5. 5.

    设是平面上光滑的简单闭曲线,其参数方程表示为. 的方向与参数增加的方向一致. 证明:围成的区域面积等于

    (2.7.10)

    其中是的Fourier系数,是的Fourier系数.

    解

    由题意,具有一阶连续导数,且. 由Dirichlet定理,其一阶导数的Fourier系数分别为

    (2.7.11)
    (2.7.12)

    类似地,,因此

    (2.7.13)

    利用三角函数系的正交性以及Green公式,可给出区域的面积为

    (2.7.14)
  6. 6.

    求在内的Fourier级数,并证明:

    (2.7.15)
    解

    在内分段可微,由Dirichlet定理,其Fourier系数为

    (2.7.16)
    (2.7.17)
    (2.7.18)

    从中解得

    (2.7.19)

    因此

    (2.7.20)

    令,可得

    (2.7.21)
  7. 7.

    设曲面

    (2.7.22)

    它的定向与轴正向同侧. 设

    (2.7.23)

    求积分.

    解

    记正向曲面,其正向与轴正向同向,则形成封闭曲面,其正向为曲面外法向,围成的封闭区域记为 由Gauss定理,

    (2.7.24)

    其中已利用,为任意矢量场, 另一方面,

    (2.7.25)

    又因为积分区域关于轮换对称,故

    (2.7.26)
  8. 8.

    设. 证明:积分收敛,并求其值.

    解

    注意到Dirichlet积分给出关于一致收敛,并且关于一致有界. 由Abel判别法,该广义积分一致收敛. 回顾Dirichlet积分的证明思路,记

    (2.7.27)

    由于被积函数有控制函数,由Weierstrass判别法,该广义积分关于在上一致收敛,同时2

    (2.7.28)
    (2.7.29)

    因此

    (2.7.30)

    分别代入,可知当时,

    (2.7.31)

    在上关于收敛,因此可微,且

    (2.7.32)

    利用边界条件可确定积分常数,因此

    (2.7.33)

2.8 2016-2017期末

  1. 1.
    1. (1)

      设,求.

      解

      由链式法则,

      (2.8.1)
    2. (2)

      求方程组所确定的反函数组的偏导数.

      解

      对变换方程组两端取微分,可得

      (2.8.2)
      (2.8.3)

      因此

      (2.8.4)

      进而可得

      (2.8.5)
  2. 2.

    设.

    1. (1)

      用Lagrange乘数法求在条件下的极值.

    2. (2)

      由(1)的结论证明不等式.

    解
    1. (1)

      构造Lagrange函数

      (2.8.6)

      当取极值时,

      (2.8.7)

      注意到可直接将条件代入,即

      (2.8.8)

      而由于,即所有二次项系数为正,因此该二次型多项式必存在极小值、不存在极大值. 故在该条件下无极大值,而在

      (2.8.9)

      处取到极小值.

    2. (2)

      由上一问的结果,

      (2.8.10)
  3. 3.

    设由连续的导函数,,且曲线积分

    (2.8.11)

    与路径无关.求

    (2.8.12)
    解

    由题意,总可以选择与同起点和终点的正向路径,使得围成封闭区域,由Green公式,

    (2.8.13)

    对于成立,要求

    (2.8.14)

    代入,可得,因此可选择从到再到的折线段,从而

    (2.8.15)
  4. 4.

    设是正数,求第二型曲面积分

    (2.8.16)

    其中是上半球面的上侧.

    解

    考虑有向曲面,其正向与同向,因此围成封闭区域. 由Gauss定理,

    (2.8.17)
  5. 5.

    设不全为零,是球面与平面的交线,其方向约定为:质点在上运动的正方向与平面的法向成右手系. 计算第二型曲线积分

    (2.8.18)
    解

    记平面被球面所截的部分为,则由Stokes定理,

    (2.8.19)

    其中已利用平面过球面球心的结果,此时恰为半径的大圆.

  6. 6.
    1. (1)

      求周期为的函数的Fourier级数.

    2. (2)

      求级数.

    3. (3)

      由(1)的结论求级数.

    解
    1. (1)

      由于分段可微且为奇函数,由Dirichlet定理,其Fourier系数为且

      (2.8.20)

      因此其Fourier级数为

      (2.8.21)
    2. (2)

      显然平方可积,由Parseval等式,

      (2.8.22)
    3. (3)

      构造函数,显然该函数分段可微且为偶函数,由Dirichlet定理,其Fourier系数为且

      (2.8.23)
      (2.8.24)

      因此其Fourier级数为

      (2.8.25)

      当时,

      (2.8.26)
  7. 7.

    证明:由含参变量的广义积分定义的函数是上的可导函数.

    解

    对,总,当时,关于一致收敛,并且,而

    (2.8.27)

    因此关于连续的函数在上有界,从而在上单调递减且关于一致有界. 由Abel判别法,该广义积分一致收敛于. 记,那么

    (2.8.28)

    对于后者,对,,并且当时关于单调递减且趋于零,由Dirichlet判别法,该广义积分收敛. 因此收敛,从而在内可微. 由的任意性,在上可微.

  8. 8.

    设是由光滑闭曲线所围成的区域,函数在上有二阶连续偏导数,且满足

    (2.8.29)

    并且在上恒为零.

    1. (1)

      求证:存在有连续偏导数的函数,使得

      (2.8.30)
    2. (2)

      证明:在上恒为零.

    解
    1. (1)

      可由Green第二公式的消项进行联想,构造

      (2.8.31)

      可验证得

      (2.8.32)
    2. (2)

      由Green公式,

      (2.8.33)
      (2.8.34)

      由于,且,该积分为零要求

      (2.8.35)

      积分中值定理给出

      (2.8.36)

2.9 2015-2016期末

  1. 1.

    设是由下面的方程

    (2.9.1)

    所确定的函数. 求.

    解

    对方程两端同时取微分,整理得

    (2.9.2)

    因此Jacobi行列式

    (2.9.3)
  2. 2.

    计算积分:

    (2.9.4)
    解

    积分区域可写为

    (2.9.5)

    因此积分可化为

    (2.9.6)
  3. 3.

    设是由直线所围成的区域. 计算二重积分.

    解

    显然的原函数无初等表示,先对积分:

    (2.9.7)
  4. 4.

    求第二型曲线积分

    (2.9.8)

    其中曲面是上半球面,法向向上.

    解

    记有向曲面,其正向沿方向,则封闭曲面围成的区域记为. 由Gauss定理,

    (2.9.9)
  5. 5.

    求常数使得向量场是有势场,并求出此时的势函数.

    解

    由题意,,从而,此时势函数为

    (2.9.10)
  6. 6.

    设是正数,且. 用Lagrange乘数法证明:

    (2.9.11)

    等号成立当且仅当时成立.

    解

    构造Lagrange函数

    (2.9.12)

    其取极值时

    (2.9.13)

    将第一个方程两端同时乘,可得

    (2.9.14)

    从中解得或. 对于后者,可引入指标满足,使得,两式相减得到,同样回到前者. 因此最终解得时取极值. 注意到当时,原函数中部分项满足

    (2.9.15)

    因此只要存在至少一个,原函数的函数值就趋近于零. 注意到原函数在和围成的维单形面上连续,且在边界上取最小值,因此必然在内部存在最大值、不存在最小值. 从而该最大值必然为极值,而得到的驻点唯一,因此

    (2.9.16)

    等号成立当且仅当.

  7. 7.

    求证:在可导且满足微分方程

    (2.9.17)
    解

    显然被积函数有控制函数,而,由Weierstrass判别法,该广义积分在上一致收敛. 对于广义积分

    (2.9.18)

    仍有关于一致收敛,并且对,满足

    (2.9.19)

    即当时,该部分关于单调递减,且自身有界. 由Abel判别法,该积分收敛,因此可导,且

    (2.9.20)

2.10 2013-2014期末

  1. 1.

    计算下列各题:

    1. (1)

      计算上的向量场的旋度和散度.

      解

      .

    2. (2)

      计算二重积分

      (2.10.1)

      其中为与直线和所围成的闭区域.

      解

      作极坐标变换,可得

      (2.10.2)
  2. 2.

    已知螺旋面的方程,试求:

    1. (1)

      过上一点的切平面方程.

    2. (2)

      计算曲线积分,其中是上参数对应的曲线.

    解
    1. (1)

      点处切平面法向量为

      (2.10.3)

      因此该点的切平面为

      (2.10.4)
    2. (2)

      由题意,上线元,因此

      (2.10.5)
  3. 3.

    试将函数展开成Fourier级数,并求.

    解

    在上分段可微且为偶函数,由Dirichlet定理,其Fourier系数为且

    (2.10.6)
    (2.10.7)

    因此

    (2.10.8)

    进而可得

    (2.10.9)
  4. 4.
    1. (1)

      计算积分,其中常数.

      解

      记该广义积分为,被积函数,首先有,因此处并非的奇点. 在上,关于一致收敛,且关于单调递减. 由Abel判别法,该积分关于一致收敛. 另一方面,

      (2.10.10)

      关于收敛,因此可微,且

      (2.10.11)
    2. (2)

      利用Euler积分计算:.

      解

      作变量代换,可得

      (2.10.12)
  5. 5.

    给定中个固定点,考察向量函数

    (2.10.13)

    其中为正的常数,为点到固定的的距离. 已知光滑封闭曲面所围成的区域的内部包含了这个固定点,试求穿过曲面的流量.

    解

    对于任意不包含的闭区域,由Gauss定理,

    (2.10.14)

    因此,可在所围成的闭区域内分割出个分别以为球心、为半径的球,各球之间无交叠,剩余区域记为. 那么由Gauss定理,

    (2.10.15)

2.11 2012-2013期末

  1. 1.

    设是由下面的方程

    (2.11.1)

    所确定的函数. 求.

    解

    对方程两端同时取微分,整理得

    (2.11.2)

    因此Jacobi行列式

    (2.11.3)
  2. 2.

    计算积分:

    (2.11.4)
    解

    积分区域可写为

    (2.11.5)

    因此积分可化为

    (2.11.6)
  3. 3.

    计算抛物线与直线所围成的区域的面积.

    解

    由题意,交点纵坐标分别为和2,因此该区域的面积

    (2.11.7)
  4. 4.

    求常数使得向量场是有势场,并求出此时的势函数.

    解

    由题意,,从而,此时势函数为

    (2.11.8)
  5. 5.

    设不是整数,求在上的Fourier级数展开,并证明

    (2.11.9)
    解

    在上可微且为偶函数,由Dirichlet定理,其Fourier系数为且

    (2.11.10)
    (2.11.11)

    因此其Fourier展开为

    (2.11.12)

    进而当时,

    (2.11.13)
  6. 6.

    求证:在上有二阶连续导数且满足微分方程

    (2.11.14)
    解

    显然被积函数有控制函数,而关于一致收敛,由Weierstrass判别法,该广义积分在上一致收敛. 考虑广义积分

    (2.11.15)

    注意到后一项与有相同的控制函数,且第一项在内由定义,由Weierstrass判别法,该广义积分一致收敛,即可微,且

    (2.11.16)

    类似可证明二阶可微,且

    (2.11.17)

    即可证明

    (2.11.18)
  7. 7.

    设是平面上有限条逐段光滑曲线围成的区域,在上有二阶连续偏导数,且满足方程

    (2.11.19)

    其中为常数且. 求证:若在上恒为零,则在上恒为零.

    解

    见到可联想. 再观察题设条件,有希望通过配方解决,因此构造

    (2.11.20)

    由Green公式,

    (2.11.21)

    由于被积函数非负,而积分值为零,要求被积函数在内均为零. 当时,直接可得,进而可导出; 当时,可知. 对于上任意不同的两点和,由积分中值定理,

    (2.11.22)

    由的任意性,可导出,从而. 再任取内任一点,由积分中值定理,

    (2.11.23)
  1. 也可以利用Euler公式转化为
  2. 可引入Euler公式: