数学分析期末复习
第二部分 · 第 3 份 · 2023.07.18 · 29 页 · Final Review of Mathematical Analysis
1期末知识点回顾
1.1 偏导数与全微分
- 1.
具体点偏导数的计算:∂x∂f(x,y)M0(x0,y0)=dxdf(x,y0)x=x0.
- 2.
全微分:Δz=fx′(x0,y0)Δx+fy′(x0,y0)Δy+o(ρ),其中ρ=(Δx)2+(Δy)2,由此
z=f(x,y)在M0(x0,y0)可微⟺ρ→0+limρΔz−fx′(x0,y0)Δx−fy′(x0,y0)Δy=0.
- 3.
链式法则.
1.2 方向导数与梯度
- 1.
方向导数:∂n∂f=ρ→0+limρf(x0+Δx,y0+Δy,z0+Δz)−f(x0,y0,z0),其中
n//(Δx,Δy,Δz),ρ=(Δx)2+(Δy)2+(Δz)2. - 2.
梯度:∇=x^∂x∂+y^∂y∂+z^∂z∂.
- 3.
两者关系:∂n∂f=∇f⋅n^.
1.3 空间曲线切线与法平面的构建
- 1.
切线的构建:对于参数式,坐标沿着曲线随参数的单调变化而变化,因此矢量场的增长率对应于各坐标分量关于参数的增长率,即切向量为各坐标对参数的导数,由此可求解曲线某点的切向量.
确定方向后结合这一点的坐标,由点斜式可唯一确定切线;
对于隐式即曲面交线表达的形式,注意到曲线分别在两个曲面上,因此其切线处于两个曲面在该点的切平面内,即两个曲面在该点的法向均与该曲线切向垂直,因此两者法向量叉乘即可得到曲线切向量,结合坐标又点斜式可唯一确定法线.
- 2.
法平面的构建:法平面的法向量即曲线的切向量,由点法式可确定法平面方程.
1.4 空间曲面法线与切平面的构建
- 1.
法线的构建:由于显式曲面z=f(x,y)可写为隐式曲面F(x,y,z)=f(x,y)−z=0的形式,故放在一起讨论.
对于隐式曲面,考虑F(x,y,z)的等值面,由梯度的几何含义——表征函数值变化最快的方向,可确定梯度在等值面上即曲面法向,当等值为0时亦然.
结合这一点的坐标由点法式可唯一确定法线;
对于参数式曲面r(u,v),设想每次固定一变量而改变另一变量,可在曲面上得到由相交曲线构成的“网格”,而由上一小节的讨论,ru′,rv′分别代表仅当u,v变化时得到的曲线的切向.
考虑到这两条曲线并不平行,并且法向与该点各切向均正交,因此ru′×rv′可得到曲面法向,由点法式可确定法平面方程.
- 2.
切平面的构建:切平面的法向量即曲线的切向量,由点法式可确定切平面方程.
1.5 二元Taylor公式
记h=x−x0,k=y−y0,则
f(x,y)=m=0∑nm!1(h∂x∂+k∂y∂)mf(x0,y0)+Rn,
其中余项
Rn=(n+1)!1(h∂x∂+k∂y∂)n+1f(x0+θh,y0+θk),0<θ<1.
注
考试中通常遇到的是f(g(x,y))的形式,即可以将与x,y有关的项统一换元写成u=g(x,y),从而对形式简单的函数f(u)关于u进行一元Taylor展开,再根据展开次数需求回代g(x,y),如将ex2+y展开到3次.
1.6 极值判断与Lagrange乘子法
- 1.
无条件极值:设fx′(x0,y0)=fy′(x0,y0)=0,记
A=fxx′′(x0,y0),B=fxy′′(x0,y0),C=fyy′′(x0,y0),
可定义Hessen矩阵Hf(M0)=(ABBC).
- (1)
A>0且AC−B2>0,即Hf正定 ⇒ f(M0)极小.
- (2)
A<0且AC−B2>0,即Hf负定 ⇒ f(M0)极大.
- (3)
AC−B2<0即Hf非定 ⇒ f(M0)非极值.
- (4)
AC−B2=0 ⇒ 结论不定.
反之,若f(M0)为极值点,则必有fx′(x0,y0)=fy′(x0,y0)=0.
- 2.
条件极值:引入约束条件φ(x,y),考虑Lagrange乘子法,构造函数
求解L(x,y,λ)的极值点.
这类题目通常会告知所求的极大(小)值,因此求出驻点后比较各点函数值即可.
对于更多元的情形,自变量为x1,⋯,xn,约束条件记为φi(x1,⋯,xn)=0 (i=1,2,⋯,k),其中k⩽n−1,则引入λi,构造函数
L(x1,⋯,xn,λ1,⋯,λk)=f(x1,⋯,xn)+i=1∑kλiφi(x1,⋯,xi),
其余操作同上.
- 3.
值得一提的是,以上讨论的极值可能存在的区域为全空间,若局限在闭域内讨论,则以上分析的极值点或者说可能最值点仅仅为其内部的点.
除此之外还需要将边界满足的方程代入函数f(x1,⋯,xn)中,单独考虑边界上的最值点.
考试中若涉及此情形,通常为二元,则代入边界后退化为一元函数求最值问题.
1.7 重积分的性质
- 1.
∬Df(x,y)dσ⩽∬D∣f(x,y)∣dσ,等号成立当且仅当f在D上不变号.
- 2.
变量代换公式:记变量代换x=(x1,⋯,xn) → y=(y1,⋯,yn),则引入Jacobi矩阵J(x)=
J(x)=∂x1∂y1⋯∂xn∂y1⋮⋮∂x1∂yn⋯∂xn∂ynor(J(x))ij=∂xj∂yi.
因此Jacobi行列式∂(x1,⋯,xn)∂(y1,⋯,yn)=∣J(x)∣,记
f(x1,⋯,xn)=g(y1(x1,⋯,xn),⋯,yn(x1,⋯,xn)),
从而
∬⋯∫Ωxf(x1,⋯,xn) dx1⋯dxn=∬⋯∫Ωyg(y1,⋯,yn)∥J(x)∥ dy1⋯dyn.
- 1.
广义极坐标变换:{x=aρcosφ,y=bρsinφ, ⇒ ddy=abρ dρdφ.
- 2.
柱坐标:⎩⎨⎧x=rcosθ,y=rsinθ,z=z, ⇒ dxdydz=r drdθdz.
- 3.
球坐标:⎩⎨⎧x=rsinθcosφ,y=rsinθsinφ,z=rcosθ, ⇒ dxdydz=r2sinθ drdθdφ.
- 4.
对于积分区域∣x∣+∣y∣⩽a (a>0),常有换元{u=x+y,v=x−y,得到dxdy=21 dudv.
1.8 第一型曲线积分和曲面积分表达式的构建
- 1.
第一型曲线积分:关键在于弧长公式
由于空间仅有沿曲线变化这一个自由度,因此接下来的工作是选择合适的参数表示这一自由度.
对于参数式,显然可直接选取参数t,则dx=x′(t)dt,其余两变量类似,且f(x,y,z)=f(x(t),y(t),z(t))=Δg(t),从而将其转化成关于单变量t的积分;
对于交面式,在曲面方程中,凭经验选择可能使表达式简单的坐标为参数,具体来说若为多项式通常选取次数最高者为参数.
假定以z为参数,对曲面方程全微分后得到dx,dy的方程组,常数项均正比于dz,因此解方程可得到dx,dy与dz的关系,进而f(x,y,z)=f(x(z),y(z),z),从而将其转化成关于单变量z的积分.
- 2.
第一型曲面积分:考试中通常出现显式曲面,这里仅对此进行讨论,更完成的内容参见相关章节讲义.
对于显式曲面z=f(x,y)其关键在于将dS投影到xy平面的因子
这一因子的获取方式为先求解曲面任一点法向量(前已讨论),由于法向量唯一表征该处面元的取向,因此dS与dxdy的夹角即法向量n与z^的夹角(或者其补角),因此
∣cosθ∣=∣n∣∣n⋅z^∣⟹dS=dxdy∣cosθ∣.
1.9 第二型曲线积分和曲面积分的计算
考试中基本只会出现闭合曲线和闭合曲面(最多需要补一个平行于某一坐标平面的平面区域),因此可放心大胆用Gauss定理和Stokes定理.
- 1.
Gauss定理:∬∂Ωv⋅dσ=∭Ω(∇⋅v)dV.
- 2.
Stokes定理:∮∂Dv⋅dl=∬D(∇×v)⋅dσ.
- 3.
Green公式:∮∂DPdx+Qdy=∬D(∂x∂Q−∂y∂P) dxdy.
注
使∂x∂Q=−∂y∂P=1时可得到面积公式,为简单起见可令P=−y,Q=x,则
A(D)=∬Ddσ=21∮D−ydx+xdy.
不过坦白说这个公式多数情况下缺乏实用价值,只有对于多边形这种区域复杂但边界简单的区域计算面积时有奇效.
- 4.
Green第一公式:∮Lu∂n∂vds=∬D(∇u⋅∇v+uΔv) dxdy.
- 5.
Green第二公式:∮L(u∂n∂v−v∂n∂u)ds=∬D(uΔv−vΔu) dxdy.
特别地,在Green第一公式中,令u=1,可得到1
注
特殊情形的证明思路如下:记二维平面上曲线切向为τ^=(cosθ,sinθ),则其法向为n^=(sinθ,−cosθ).
记弧元为ds,那么
τ^ds=(dx,dy)⟹n^ds=(dy,−dx).
由方向导数的定义,
∮L∂n^∂uds=∮L∇u⋅(dy,−dx)=∮L−∂y∂udx+∂x∂udy
=Green公式∬D[∂x2∂2u−(−∂y2∂2u)] dxdy=∬DΔu dxdy.
记v=(v1,v2,v3),坐标x=(x1,x2,x3),则
∇⋅v=i=1∑3∂xi∂vi=∂x1∂v1+∂x2∂v2+∂x3∂v3,∇×v=x^1x^2x^3∂x1∂∂x2∂∂x3∂v1v2v3.
1.10 调和函数
- 1.
定义:满足Δu=∇2u=∇⋅∇u=0的函数u.
- 2.
性质:
- (1)
最大值和最小值只能在边界上取到,因此若最大值=最小值,则u在区域内为常数.
- (2)
在某点的函数值为以该点为球心的球面上各点函数值的平均,如二维情形有
f(x0,y0)=2πr1∫∣MM0∣=rf(x,y)ds,M(x,y),M0(x0,y0)∈D, {M∣∣MM0∣⩽r}⊂D.
1.11 数项级数审敛法
- 1.
正项级数的比较判别法:对于正项级数n=1∑∞an,
bn>0, n→∞limbnan=A⟹⎩⎨⎧0<A<+∞,n=1∑∞an与n=1∑∞bn同敛散,A=0,n=1∑∞bn收敛时,n=1∑∞an也收敛,A=+∞,n=1∑∞bn发散时,n=1∑∞an也发散. - 2.
正项级数的根值判别法:n→∞lim[n]an=ρ⟹⎩⎨⎧ρ<1,ρ>1,ρ=1,级数收敛,级数发散,结论不定.
- 3.
正项级数的积分判别法:若f(x)在[1,+∞)上连续、非负且单调递减,则n=1∑∞f(n)与∫1+∞f(x)dx同敛散.
- 4.
交错级数的Leibniz判别法:若在交错级数n=1∑∞(−1)n−1an中,{an}非负、单调递减,且an→0 (n→∞),则该级数必收敛.
1.12 函数项级数
- 1.
一致收敛的判别——Weierstrass判别法:若∣an(x)∣⩽bn (∀x∈I)且数项级数n=1∑∞bn收敛,则n=1∑∞an(x)在I上一致收敛.
- 2.
当函数项级数收敛时,可定义和函数S(x)=n=1∑∞an(x).
- (1)
n=1∑∞an(x)绝对收敛 ⇒ 满足交换律、结合律、分配律.
- (2)
n=1∑∞an(x)一致收敛 ⇒ 满足分析性质.
- 3.
考试中(非压轴题)出现函数项级数判断一致收敛,基本只要求使用Weierstrass判别法,这样可证明级数绝对一致收敛,因此有如下分析性质:
- (1)
an(x)∈C(I) ⇒ S(x)∈C(I),即x→x0limn=1∑∞an(x)=n=1∑∞x→x0liman(x).
- (2)
an(x)∈R(I) ⇒ S(x)∈R(I),即∫abn=1∑∞an(x)dx=n=1∑∞∫aban(x)dx.
- (3)
an(x)∈C1(I) ⇒ S(x)∈C1(I),即dxd[n=1∑∞an(x)]=n=1∑∞an′(x).
1.13 幂级数
- 1.
收敛半径:R=n→∞liman+1an或R=n→∞lim[n]∣an∣.
- 2.
收敛区间:I=(−R,R),收敛域为收敛区间加上x=±R处的收敛点,如(−R,R].
- 3.
n=0∑∞anxn在(−R,R)内逐点且绝对收敛,且内闭一致敛2.
- 4.
性质:在收敛区间内满足前述三个分析性质,且积分、求导后收敛半径不变.
- 5.
重要幂级数:
- (1)
指数函数:ex=n=0∑∞n!xn (−∞<x<+∞).
- (2)
等比级数:1+x1=n=0∑∞(−x)n (−1<x<1).
- 6.
注意事项:
- (1)
求解和函数给出最后答案时,要带上收敛域.
- (2)
注意求和指标的起点,否则和函数会差一常数.
起点通常为n=0,1,有时也为n=2.
1.14 重要Taylor级数
ex=n=0∑∞n!xn=1+x+2!x2+⋯,x∈(−∞,+∞).
sinx=n=0∑∞(2n+1)!(−1)nx2n+1=x−3!x3+⋯,x∈(−∞,+∞).
cosx=n=0∑∞(2n)!(−1)nx2n=1−2!x2+4!x4−⋯,x∈(−∞,+∞),
(1+x)α=1+αx+2!α(α−1)x2+⋯,x∈(−1,1),
1+x1=n=0∑∞(−x)n=1−x+x2−⋯,x∈(−1,1),
ln(1+x)=n=1∑∞n(−1)n−1xn=x−2x2+2x3−⋯,x∈(−1,1],
arctanx=∫0x1+ξ2dξ=x−3x3+5x5−⋯,x∈(−1,1).
1.15 Fourier级数
Dirichlet收敛定理:要求周期函数f(x)分段光滑,间断点至多为第一类间断点.
- 1.
以2π为周期:
f(x)∼2a0+n=1∑∞(ancosnx+bnsinnx)=⎩⎨⎧f(x),连续点,2f(x−0)+f(x+0),间断点,
其中
an=π1∫−ππf(x)cosnxdx (n=0,1,⋯),bn=π1∫−ππf(x)sinnxdx (n=1,2,⋯).
- 2.
以2l为周期:
f(x)∼2a0+n=1∑∞(ancoslnπx+bnsinlnπx)=⎩⎨⎧f(x),连续点,2f(x−0)+f(x+0),间断点,
其中
an=l1∫−llf(x)coslnπxdx (n=0,1,⋯),bn=l1∫−llf(x)sinlnπxdx (n=1,2,⋯).
- 3.
正余弦级数:通常将f(x)定义在[0,l]上,需要作奇延拓或偶延拓,再进行Fourier展开.
正弦级数:f(x)∼n=1∑∞bnsinlnπx,bn=l2∫0lf(x)sinlnπxdx,
余弦级数:f(x)∼2a0+n=1∑∞ancoslnπx,an=l2∫0lf(x)coslnπxdx.
- 4.
广义展开:设有完备的标准正交3函数系{φi(x)},则
f(x)∼n=1∑∞cnφn(x)=⎩⎨⎧f(x),连续点,2f(x−0)+f(x+0),间断点,
其中
cn=(φn,φn)(f,φn)=∥φn∥21∫0Tf(x)φn(x)dx.
1.16 Parseval等式
- 1.
Parseval等式:若f(x)∈L2[−l,l],计算f(x)的Fourier系数an,bn,则
2a02+n=1∑∞(an2+bn2)=l1∫−llf2(x)dx.
- 2.
证明思路:当f(x)∈C[−l,1]时,将f2(x)写成
f2(x)=2a0f(x)+n=1∑∞[anf(x)cosnx+bnf(x)sinnx],
等式两端积分可证.
类似的思路可证明l1∫−llf(x)g(x)dx的等式.
注
一种几何理解是,将f(x)的Fourier展开写为
2a0+n=1∑∞(ancoslnπx+bnsinlnπx)
=2la0⋅2l1+n=1∑∞(anl⋅l1coslnπx+bnl⋅l1sinlnπx).
利用三角函数系的标准完备正交性,考虑内积:
(f,f)= 2la02(2l1,2l1)+lm,n=1∑∞aman(l1coslmπx,l1coslnπx) +bmbn(l1sinlmπx,l1sinlnπx) = 2la02+lm,n=1∑∞(aman+bmbn)δmn=2la02+ln=1∑∞(an2+bn2),
因此
l1∫−llf2(x)dx=2a02+n=1∑∞(an2+bn2).
这就相当于将f(x)视为一个分解到无穷维空间的正交基上的向量,其与自身的内积即各分量相乘再相加.
1.17 Fourier积分
当f(x)在(−∞,+∞)上分段可微且绝对可积时,其Fourier积分为
f(x)=∫0+∞[a(λ)cosλx+b(λ)sinλx]dλ
其中
a(λ)=π1∫−∞+∞f(x)cosλx dx,b(λ)=π1∫−∞+∞f(x)sinλx dx,
注意f(x)的Fourier积分表达式是从0开始积分的,而相应的系数则是从−∞开始积分的.
1.18 反常积分敛散性证明
- 1.
p-积分
- (1)
第一类:∫a+∞xpdx (a>0)在p>1时收敛,在p⩽1时发散.
- (2)
第二类:∫ab(x−a)pdx (b>a)在p<1时收敛,在p⩾1时收敛.
由此∫0+∞xpdx对∀p∈R均发散.
- 2.
对于含有lnpn(x)项的被积函数,有专门的处理方法,具体见后续讨论.
1.19 含参变量的常义积分的五个分析性质
设∫abf(x,u)dx=g(u), x∈[a,b],u∈[α,β],闭域D=[a,b]×[α,β],且f(x,u)∈C(D).
- 1.
g(u)∈C[α,β],即对∀u0∈[α,β],u→u0limg(u)=g(u0) ⇔ u→u0lim∫abf(x,u)dx=∫abu→u0limf(x,u)dx,即积分和极限可交换.
- 2.
g(u)∈R[α,β],即∫αβdu∫abf(x,u)dx=∫abdx∫αβf(x,u)du.
- 3.
若∂u∂f(x,u),则g(u)∈C1[α,β],即g′(u)=∫ab∂u∂f(x,u)dx.
- 4.
设a(u),b(u)∈C[α,β]且a⩽a(u)⩽b(u)⩽b,则g(u)=∫a(u)b(u)f(x,u)dx∈C[α,β].
- 5.
若a(u),b(u)∈C1[α,β]且a⩽a(u)⩽b(u)⩽b,同时∂u∂f(x,u)∈C(D),则g(u)∈C1[α,β]且
g′(u)=f(b(u),u)⋅b′(u)−f(a(u),u)⋅a′(u)+∫a(u)b(u)∂u∂f(x,u)dx.
1.20 一致收敛的含参反常积分
- 1.
Weierstrass判别法:若∃h(x)在[a,+∞)上非负、连续,且∫a+∞h(x)dx收敛;
当x充分大时,∣f(x,u)∣⩽h(x)对∀u∈[α,β]成立,则∫a+∞f(x,u)dx在[α,β]上一致收敛于g(u).
注
h(x)称为f(x,u)的控制函数,∫a+∞h(x)dx称为含参反常积分的优(强)积分.
- 2.
分析性质:记g(u)=∫a+∞f(x,u)dx, u∈[α,β].
- (1)
g(u)∈C[α,β],u→u0limg(u)=g(u0).
- (2)
g(u)∈R[α,β],且关于x,u的积分顺序可交换,即
∫αβdu∫a+∞f(x,u)dx=∫a+∞dx∫αβf(x,u)du.
- (3)
f(x,u),∂u∂f(x,u)∈C(D),D=[a,+∞)×[α,β] ⇒ g(u)∈C1[α,β],且
- 3.
重要反常积分:
- (1)
Poisson积分:∫0+∞e−x2dx=2π.
- (2)
Dirichlet积分:∫0+∞xsinxdx=2π.
1.21 Euler积分
- 1.
Γ函数:Γ(x)=∫0+∞tx−1e−tdt, x∈(0,+∞).
- (1)
递推公式:Γ(x+1)=xΓ(x) (x>0).
- (2)
特殊值:Γ(1)=1,Γ(21)=π ⇒ Γ(n+1)=n!,Γ(n+21)=2n(2n−1)!!π (n∈N∗).
- (3)
余元公式:Γ(x)Γ(1−x)=sinπxπ, ∀x∈(0,1).
- 2.
B函数:B(x,y)=∫01tx−1(1−t)y−1dt, x,y∈(0,+∞)2.
- (1)
对称性:B(x,y)=B(y,x).
- (2)
与Γ函数的关系:B(x,y)=Γ(x+y)Γ(x)Γ(y).
- (3)
其他形式:
B(x,y)=2∫0π/2sin2x−1θcos2y−1θdθ=∫0+∞(1+z)x+yzy−1dz=∫0+∞(1+z)x+yzx−1dz,
最后一个等式来源于B函数的对称性.
由此三角函数积分可写为
∫0π/2sinmxcosnxdx=21B(2m+1,2n+1)=21Γ(1+2m+n)Γ(2m+1)Γ(2n+1).
2答题技巧
2.1 重要的书写格式
- 1.
使用Gauss定理和Stokes定理说明单连域.
- 2.
Gauss定理补面说明平面域与正方向的选择.
- 3.
Fourier级数说明延拓.
- 4.
计算含参变量反常积分说明可导性.
2.2 曲面相截的第一类曲面积分的计算
这类题的关键在于确定被截的曲面和用于截取的曲面,通常前者作为基底用于确定曲面的形状,后者用于限制曲面范围(例如平面和球相截,平面截球面得到球锥的底,球面截平面得到圆面).
当截取的曲面为母线平行于坐标轴的柱面时,投影会变得十分简单:假定母线平行于z轴,那么柱面方程限制在z=0上就是被截曲面在xy平面的投影;
当被截取的曲面为平面时,投影因子为常数,将其投影到xy平面也是一件非常方便的事.
2.3 第二型曲面积分的计算
- 1.
考试中碰到求第二类曲线(面)积分时,最优先考虑Stokes(Gauss)定理,通常给的场函数v能满足其旋度(散度)为零,从而极大简化计算.
- 2.
在计算势函数(差)或路径积分时,通常有以下三种方式,建议使用的程度递减:
- (1)
有些场函数分量具有很明显的特征(如本题第2问),这时可直接看出原函数并可在答题中直接给出.
- (2)
选择每次只有一个变量改变的最简单的折线路径,这时积分化为至多三个单变量积分.
- (3)
通过逐次积分求解势函数,以本题第1问为例:
φx′=2x+y⟹φ=x2+xy+f(y,z),
φy′=x+4y+2z=x+fy′⟹f=2y2+2yz+g(z),
φz′=2y−6z=2y+g′⟹g=−3z2+C,
因此得到势函数φ(x,y,z)=x2+2y2−3z2+xy+2yz+C.
可见若能直接看出势函数,倒不必这么费尽心思求解;
若不能直接看出,采用折线路径的方式通常计算量也会更小一些——更何况此方法最后还有数值代入这一步.
造成这种现象的原因是取折线路径积分只利用了势函数部分信息,即某些变量取特定值时的函数形式,而求解势函数则获得了其全部信息,自然操作上会更繁琐一些.
2.4 含lnpn(x)项反常积分敛散性证明
- 1.
对于∫a+∞xmlnpn(x)dx (a>0)形式的积分,则若m>1级数收敛,若m⩽1级数发散.
具体操作为将lnpn(x)替换为xα,其中pn(x)=k=0∑nakxk>0 (an>0)为任一次数为n次的多项式,则积分化为∫a+∞xm−αdx.
若m>1,则总∃α>0,使得m−α>1,即0<α<m−1.
取这样的α,利用比较判别法的极限形式:
x→+∞lim1/xm−αlnpn(x)/xm=x→+∞limxαlnpn(x)=L’Hospital法则x→+∞limαxα−1nanxn−1/pn(x)
因此m>1时积分收敛.
- 2.
对于∫0axmln(1+xkpn−k(x))dx (a>0)形式的积分,其中pn−k(0)=0,利用
x→0+limxβlnpn(x)=0,∀β>0,
类似操作可证.
2.5 幂级数的计算
- 1.
若出现n!1,则最终结果与ex相关,可通过对其多次微分或积分化为xmn=0,1,2∑∞n!xn的形式.
如n=0∑∞n!n+1xn,可通过对其积分化为xn=0∑∞n!xn=xex,求导还原为(x+1)ex.
- 2.
若无n!而含有(n−a)(n−b)(无论此项出现在分子还是分母),通常通过多次微分或积分化为等比级数.
如n=1∑∞n(n+1)xn可通过凑xn+1两次微分得到等比级数,n=1∑∞n(n+1)xn可通过凑xn−1两次积分得到等比级数.
2.6 积分第二中值定理
设f(x)在[a,b]上可积,g(x)在[a,b]上单调,则∃ξ∈(a,b),使得
∫abf(x)g(x)dx=g(a)∫aξf(x)dx+g(b)∫ξbf(x)dx.
2.7 判断化为Γ函数或B函数的方法
- 1.
若被积函数为“幂函数×含e相关的项(如ef(x),lng(x))”,则考虑化为Γ函数,具体操作为将e的指数项整体设为−t再对比幂函数指数;
若含有ln项则多一步设u=lnpn(x).
- 2.
若被积函数不含e相关的项,只含有幂函数的有限次乘除,则考虑化为B函数,通常考查较多的是化简成∫0+∞(1+z)x+yzy−1dz形式,当然日后学习使用较多的还是三角函数积分形式.
3往年真题卷自解
3.1 2017-2018年
- 1.
对方程求全微分得
F1′(dx−adw)+F2′(dy−bdw)+F3′(dz−cdw)=0⟹dw=aF1′+bF2′+cF3′F1′dx+F2′dy+F3′dz,
因此
∂x∂w=aF1′+bF2′+cF3′F1′,∂x∂w=aF1′+bF2′+cF3′F2′,∂x∂w=aF1′+bF2′+cF3′F3′,
则a∂x∂w+b∂y∂w+c∂z∂w=1.
- 2.
记u=x+y2,则将eu展开后再代回u展开至3次得
ex+y2=1+u+2!1u2+3!1u3+R4(u)=1+(x+y2)+2!1(x+y2)2+3!1(x+y2)3+R4
=1+x+y2+2x2+2xy2+6x3+o((x2+y2)2).
- 3.
若v有势,等价于
∂x∂(a2x2+2b2xy+c2y2)=∂y∂(a1x2+2b1xy+c1y2)⟹2(a2−b1)x+2(b2−c1)y=0,
上式恒成立,等价于a2=b1,b2=c1,其一个势函数容易看出为
φ(x,y)=3a1x3+b1x2y+c1xy2+3c2y3+C.
- 4.
由于表达式中含有e(ln项),因此向Γ函数化.
记u=lnx1,则x=e−u,dx=−e−udu,那么
∫01xq(lnx1)pdx=∫0+∞e−qu⋅updu=t=qu∫0+∞qptp⋅e−t⋅qdt
=qp+11Γ(p+1).=qp+1pΓ(p).
- 5.
由于L为简单闭函数,因此坐标(x,y)在其上连续变化,因此x(t),y(t)的Fourier级数收敛于其自身:
x=φ(t)=2a0+n=1∑∞(ancosnt+bnsinnt),y=ψ(t)=2c0+n=1∑∞(cncosnt+dnsinnt).
由于这里仅给出边界方程,由Green公式,区域F的面积为
A(F)=21∮L−ydx+xdy=21∫02π[φ(t)ψ′(t)−φ′(t)ψ(t)]dt.
利用三角函数系的完备正交性即其在一周期内积分平均为0的性质,
∫02πφ(t)ψ′(t)dt=∫02π[2a0+n=1∑∞(ancosnt+bnsinnt)]m=1∑∞(−mcmsinmt+mdmcosmt)dt
=m,n=1∑∞m(andm⋅πδmn−bncm⋅πδmn)=πn=1∑∞n(andn−bncn),
∫02πφ′(t)ψ(t)dt=φ(t)ψ(t)∣02π−∫02πφ(t)ψ′(t)dt=闭曲线−∫02πφ(t)ψ′(t)dt,
因此
A(F)=21⋅2⋅πn=1∑∞n(andn−bncn)=πn=1∑∞n(andn−bncn).
- 6.
由于eax∈C[−π,π],由Dirichlet定理,f(x)可展开成Fourier级数,且
a0=π1∫−ππeaxdx=aπeaπ−e−aπ=aπ2sinh(aπ),
an=π1∫−ππeaxcosnxdx=nπ1eaxsinnx∣−ππ−nπa∫−ππeaxsinnxdx
bn=π1∫−ππeaxsinnxdx=−nπ1eaxcosnx∣−ππ+nπa∫−ππeaxcosnxdx
=nπ(−1)n−1(eaπ−e−aπ)+naan=(−1)n−1nπ2sinh(aπ)+naan,
从中解得
an=(−1)nπ(a2+n2)2asinh(aπ),bn=(−1)n−1π(a2+n2)2nsinh(aπ)
因此f(x)的Fourier级数为
f(x)∼πsinh(aπ)[a1+2n=1∑∞n2+a2(−1)n(acosnx−nsinnx)]={f(x),x∈(−π,π),cosh(aπ),∣x∣=π.
令x=π,可证得
sinh(aπ)cosh(aπ)=π1[a1+n=1∑∞n2+a2(−1)n2acosnπ]=π1[a1+n=1∑∞n2+a22a].
- 7.
补充z=0上平面域D:x2+y2⩽1,其外法向沿−z方向,这样S+D成为法向为外法向的闭合曲面.
注意到矢量公式∇⋅(∇×A)=0,因此
∇⋅(∇f×∇g)=(∇⋅∇f)⋅∇g−(∇⋅∇g)⋅∇f=0−0=0.
同时
∇f=−(1+x2+y2)22(1+z)(xx^+yy^)+1+x2+y2z^,
∇g=(y+z)x^+(z+x)y^+(x+y)z^,
那么
∬D∇f×∇g⋅dS=−∬D(∇f∣z=0×∇g∣z=0)z dxdy =∬D(1+x2+y2)22(y2−x2) dxdy=D关于x,y交换对称0,
综上,由Gauss定理,
∬S∇f×∇g⋅dS=∭Ω∇⋅(∇f×∇g)⋅dS−∬D∇f×∇g⋅dS=0. - 8.
引入含参反常积分
F(u)=∫0+∞f(x,u)dx,f(x,u)=e−uxxsinxsinαx,u∈(0,+∞).
显然x→0+limf(x,u)=1⋅x→0+limxx⋅αx=0,x=0处不是瑕点.
当u∈[u0+∞)⊂(0,+∞)时,
∫1+∞∣f(x,u)∣dx⩽∫1+∞xeuxdx⩽∫1+∞xeu0xdx<∫1+∞x⋅u0xdx,
∫1+∞∂u∂f(x,u)dx⩽∫1+∞e−uxdx⩽∫1+∞eu0xdx<∫1+∞u02x2/2!dx,
而∫1+∞x2dx收敛,因此上述两个含参反常积分在[u0,+∞)上一致收敛,即在(0,+∞)上内闭一致敛,那么F(u)可导,且
F′(u)=−∫0+∞e−uxsinxsinαxdx=21∫0+∞e−ux[cos(α+1)x−cos(α−1)x]dx.
又因为
∫0+∞e−uxcos(α+1)xdx=α+1e−uxsin(α+1)x0+∞+α+1u∫0+∞e−uxsin(α+1)xdx =−(α+1)2ue−uxcos(α+1)x0+∞−(α+1)2u2∫0+∞e−uxcos(α+1)xdx,
因此解得
∫0+∞e−uxcos(α+1)xdx=u2+(α+1)2u,⟹∫0+∞e−uxcos(α−1)xdx=u2+(α−1)2u,
由渐进条件u→+∞limF(u)=0,可得
F′(u)=21[u2+(α+1)2u−u2+(α−1)2u],
F(u)=41lnu2+(α−1)2u2+(α+1)2+C渐进条件C=0.
故原积分
∫0+∞xsinxsinαxdx=u→0+limF(u)=41ln(α−1)2(α+1)2=21lnα−1α+1,∣α∣=1.
3.2 2018-2019年
- 1.
对函数作全微分得
ϕ′(x+yz+xz)(dx+y2ydz−zdy+x2xdz−zdx)=0,
因此
dz=xyx+yz−x2dx+(x+y)yxzdy,
从而
x∂x∂z+y∂y∂z=x+yy(z−x2)+xz=z−x+yx2y.
- 2.
锥面z=x2+y2为被截曲面,圆柱x2+y2=2x为截取的曲面,因此投影因子
dS=1+zx′2+zy′2 dxdy=1+x2+y2x2+x2+y2y2 dxdy=2 dxdy,
曲面投影到xy平面得到圆柱在z=0的截面,即单位圆,因此曲面面积
- 3.
考虑等值面a2x2+b2y2+c2z2=u2 (0⩽u⩽1),其体积
V(u)=34π(au)(bu)(cu)=34πabcu3⟹dV=4πabcu2du,
因此
I=∫011−u2⋅4πabcu2du=u=sinθ4πabc∫0π/2cosθsin2θ⋅cosθdθ =4πabc⋅21B(23,23)=2πabc⋅2!(π/2)2=4π2abc. - 4.
- (1)
略.
- (2)
注意到
∇(rx)=r2r−xrxx^−r2xryy^−r2xtzz^,
而rx=∂xx2+y2+z2=x2+y2+z2x=rx,ry,rz类似,因此
∇(rx)=r3y2+z2x^−r3xyy^−r3xzz^,
故φ(x,y,z)=r3x+C=(x2+y2+z2)3/2x+C为其势函数.
- 5.
注意到恒等式∇⋅(∇×v)=0,由Gauss定理,
∬S∇×v⋅dS=∭Ω∇⋅(∇×v)dV=0. - 6.
注意到I=e∫1+∞t2e−(t−1)2dt,记u=(t−1)2,则
I=e∫0+∞(1+u)2e−u⋅2udu=2e∫0+∞(u+2+u1)e−udu =2e[Γ(23)+2Γ(1)+Γ(21)]=4e(4+3π). - 7.
将函数作偶延拓,且f(x)∈C[0,1]因此f(x)∈C[−1,1]且f(−1)=f(1),其Fourier级数收敛于其自身,系数为
a0=12∫01cosh(x−1)dx=2sinh1,
an=12∫01cosh(x−1)cosnπxdx=nπ2cosh(x−1)sinnπx∣01−nπ2∫01sinh(x−1)sinnπxdx
=n2π22sinh(x−1)cosnπx∣01−n2π22∫01cosh(x−1)cosnxdx=n2π22sinh1−n2π2an,
从中解得an=n2π2+12sinh1 (n⩾1),因此
f(x)=sinh1(1+2n=1∑∞n2π2+1cosnπx),x∈[0,1].
令x=0,得到
n=1∑∞n2π2+11=21(sinh1cosh1−1)=21(e−e−1e+e−1−1)=e2−11.
- 8.
略.
3.3 2019-2020年
- 1.
由含参变量的求导公式,
F′(α)= (−sinα)f(cosα+α,cosα−α)−cosαf(sinα+α,sinα−α)
+∫sinαcosα[f1′(x+α,x−α)−f2′(x+α,x−α)]dx.
- 2.
作柱坐标换元,
∭V(x2+y2) dxdydz=∫02πdθ∫04r2⋅rdr∫r2/28dz=π∫04(16−r2)r3dr=31024π.
- 3.
将积分改写为二重积分:
∫0+∞xe−ax−e−bxsinxdx=∫0+∞sinxdx∫abe−xydy=∫abdy∫0+∞e−xysinxdx
=∫ab1+y2dy=arctanb−arctana=arctan1+bab−a.
- 4.
由于被积函数中不含e,考虑向Γ函数化简.
记t=xm,则
∫011−xmxn−1dx=∫011−tt(n−1)/m⋅m1t1/m−1dt=m1∫01tn/m−1(1−t)−1/2dt =m1B(mn,21)=mπΓ(n/m+1/2)Γ(n/m). - 5.
注意到曲面仅为圆柱侧面,需要补全平面外法向沿−z方向的D1:{x2+y2=1,z=0,和外法向沿+z方向的D2:{x2+y2=1,z=3,此时Σ+D1+D2构成一个闭合曲面,其内区域记为Ω.
记v=(x,y,z),则由Gauss定理,
∬Σ+D1+D2v⋅dS=∭Ω∇⋅vdV=3∭ΩdV=3⋅π⋅12⋅3=9π,
同时
∬D2v⋅dS=∬D13 dxdy=3π,
因此
- 6.
- (1)
由于f(x)逐段光滑且仅有第一类间断点,由Dirichlet定理,f(x)可展开成Fourier级数.
又因为f(x)为偶函数,故其Fourier系数bn=0,且
an=π1∫−ππ/2cosnxdx=nπ2sin2nπ,
因此
f(x)∼21+π2n=1∑∞2n−1(−1)n−1cos(2n−1)x={f(x),∣x∣=pi/2,1/2,∣x∣=π/2.
- (2)
令x=0,可得
1=21+π2n=1∑∞2n−1(−1)n−1⟹n=0∑∞2n+1(−1)n=4π.
由Parseval等式,
21+π24n=1∑∞(2n−1)21=π1∫−π/2π/212dx=1⟹n=0∑∞(2n+1)21=8π2.
- 7.
F=0,G=0在M0(x0,y0,z0)处的法向量为
n1=(y0z0,z0x0,x0y0),n2=(a22x0,b22y0,c22z0),
由点法式可计算得两者在该点的切平面:
π1:y0z0x+z0x0y+x0y0z=3λ,π2:a2x0x+b2y0y+c2z0z=1,
两者重合时对应系数相等,即
λ1=a2y0z0x0=b2z0x0y0=c2x0y0z0x0y0z0=λx0,y0,z0>0ax0=by0=cz0.
又因为a2x02+b2y02+c2z02=1,从中解得
x0=3a, y0=3b, z0=3c⟹λ=x0y0z0=33abc. - 8.
- (1)
连续性:作极坐标变换,则
(x,y)→(0,0)limf(x,y)=ρ→0+limρsinθcosθ=0=f(0,0),
因此f(x,y)在(0,0)处连续.
- (2)
可微性:注意到
fx′(0,0)=dxdf(x,0)=dxd0=0,fy′(0,0)=dydf(0,y)=0,
因此在(0,0)附近作极坐标变换
(x,y)→(0,0)limx2+y2f(x,y)−fx′(0,0)x−fy′(0,0)y=ρ→0+limρρsinθcosθ=sinθcosθ
与θ相关,即极限不存在,故f(x,y)在(0,0)处不可微.
- 9.
记向量场v=(f,g),则在U内由Green公式,
∮∂Uvdl=∬U(∂x∂g−∂y∂f) dxdy=0.
记x=cosθ,y=sinθ,上述闭路积分可写为
∮∂Uv⋅dl=∮∂Ufdx+gdy=∫02π[f(cosθ,sinθ)(−sinθ)+g(cosθ,sinθ)cosθ]dθ =积分中值定理2π[g(cosφ,sinφ)cosφ−f(cosφ,sinφ)sinφ]=0.
其中0<φ<2π,记ξ=cosφ,η=sinφ,那么有
- 10.
该二元非齐次方程存在一特解f=f(r),代入方程得
r=Δf=r21∂r∂(r2∂r∂f)⟹f(r)=121r3,
因此积分结果为
I=∭Ω(x∂x∂f+y∂y∂f+z∂z∂f) dxdydz=∭Ωr⋅∇f dxdydz =∭Ωr∂r∂fdV=4π∫01r⋅41r2⋅r2dr=6π.
- 11.
- (1)
正交阵满足:
(abcd)(acbd)=(a2+b2ac+bdac+bdc2+d2)=I⟹{a2+b2=c2+d2=1,ac+bd=0,
因此
fxx+fyy=∂x(afu+cfv)+∂y(bfu+dfv)
=(a2+b2)fuu+2(ac+bd)fuv+(c2+d2)fvv
=1⋅fuu+0+1⋅fvv=fuu+fvv.
- (2)
- i.
对于u=u(x,y),v=v(x,y),由链式法则,
fxx+fyy=∂x(uxfu+vxfv)+∂y(uyfu+vyfv)
=∣∇u∣2fuu+∣∇v∣2fvv+2(∇u⋅∇v)fuv+Δufu+Δvfv
由此可得∣∇u∣=∣∇v∣=1,∇u⋅∇v=0, Δu=Δv=0,从而Jacobi矩阵满足
(uxuyvxvy)(uxvxuyvy)=(∣∇u∣2∇u⋅∇v∇u⋅∇v∣∇v∣2)=(1001)=I,
因此Jacobi矩阵为正交矩阵.
- ii.
3.4 2020-2021年
- 1.
由含参变量的常义积分的求导公式,
I′(u)=(−sinu)⋅ecos2u−ucosu−cosu⋅esin2u−usinu−∫sinucosuxex2−xudx.
- 2.
- (1)
注意到
∇×v=x^y^z^∂x∂∂y∂∂z∂zy−y1zx+y2x1−z2xy =(−z2x+z2x)x^+(−z2y+z2x)y^+[(z1+y21)−(z1+y21)]z^
对∀x∈R,y>0,z>0成立,因此v为有势场.
- (2)
注意到
∇(zxy−yx)=(zy−y1,zx+y2x,−z2xy)=v−(0,0,1),
因此v的势函数为
φ(x,y,z)=z+zxy−yx+C,C为任意常数.
- (3)
由于无旋场路径积分值与路径无关,恰为两点势的差,因此
∫(1,1,1)(1,2,3)v⋅dl=φ(1,2,3)−φ(1,1,1)=(3+32−21)−(1+1−1)=613.
- 3.
- (1)
该曲线可分为三段:
L1:0⩽x⩽2,y=0,L2:x2+y2=4,0⩽y⩽x,L3:y=x,0⩽x⩽2,
其中L2在极坐标中表示为L2:ρ=2,0⩽θ⩽4π,因此
∫Lex2+y2ds=i=1∑3∫Liex2+y2ds=∫02exdx+∫0π/4e2⋅2dθ+∫02e2x⋅2dx =(e2−1)+2πe2+(e2−1)=(2+2π)e2−2.
- (2)
利用Green第一公式,
∮∂D∂n^∂uds=∬DΔu dxdy=∬Dsin(x2+y2) dxdy
=极坐标变换∫02πdθ∫0πρsinρ2dρ=2π⋅1=2π.
- 4.
S的曲面方程为y2+z2=x,即S:y2+z2=x (0⩽x⩽1).
由于S不是闭合曲面,考虑补一平面D:{y2+z2=1,x=1,其法向为x轴正向,此时S+D构成法向为外法向的闭合曲面.
记v=(2(1+x),0,yz),则∇⋅v=2+y,
∬Dv⋅dS=∬D2⋅(1+1) dydz=4π.
利用积分区域关于y坐标的对称性,由Gauss定理,
∬S+Dv⋅dS=∭Ω∇⋅vdV=∭Ω(2+y)dV =2∫02πdθ∫01dx∫0xρdρ+0=π,
因此
- 5.
- (1)
注意到区间并不关于y轴对称,而是半区间,需要展开成余弦级数,因此将f(x)作偶延拓,得到
an=π2∫0π(2π−x)cosnxdx=nπ2(2π−x)sinnx∣0π+nπ2∫0πsinnxdx
由于f(x)∈C[0,π],因此作偶延拓后f(x)∈C[−π,π]且f(−π)=f(π),因此
f(x)=π2n=1∑∞n21−(−1)ncosnx=π4n=1∑∞(2n−1)2cos(2n−1)x,x∈[0,π].
- (2)
令x=0,得n=1∑∞(2n−1)21=8π2.
由于n=1∑∞n21绝对收敛,因此将其按奇偶项划分:
n=1∑∞n21=n=1∑∞[(2n−1)21+(2n)21]=8π2+41n=1∑∞n21⟹n=1∑∞n21=6π2.
由Parseval等式,
π216n=1∑∞(2n−1)41=π2∫0π(2π−x)2dx=6π2⟹n=1∑∞(2n−1)41=96π4.
由于n=1∑∞n41绝对收敛,因此将其按奇偶项划分:
n=1∑∞n41=n=1∑∞[(2n−1)41+(2n)41]=96π4+161n=1∑∞n21⟹n=1∑∞n41=90π4.
- 6.
- (1)
由于被积函数不含e,因此考虑向B函数化简.
令z=x2,则
φ(α)=∫0+∞1+zzα/2⋅2zdz=21∫0+∞1+zz(α−1)/2dz.
对比B函数的表示形式,要求
y=2α−1+1=2α+1>0,x=1−y=21−α>0,
即要求−1<α<1.
- (2)
满足此条件时,φ(α)可用B函数表示:
φ(α)=21B(21−α,21+α)=21Γ(21−α)Γ(21+α)
=余元公式21sin21−αππ=2cos(πα/2)π,−1<α<1.
- (3)
将积分区间拆分为[0,1)和[1,+∞),那么
∫1+∞1+x2xαdx⩽∫1+∞1+x2xα0dx<∫0+∞1+x2xα0dx=2cos(πα0/2)π, ∫011+x2xαdx⩽∫011+x2x−α0dx=u=1/x∫1+∞1+u2uα0du<2cos(πα0/2)π,
由Weierstrass判别法,φ(α)在[−α0,α0]⊂(−1,1)上一致收敛.
- 7.
略.
3.5 2021-2022年
- 1.
由递推公式,Γ(25)=23Γ(23)=23⋅21Γ(21)=43π.
- 2.
f(x)=cos2x+31sin2x, x∈[−π,π].
由三角函数系的完备正交性,a2=1,b2=31,其余an,bn均为0.
- 3.
注意到L并非闭曲线,因此路径积分按定义计算:
∫Lv⋅dr=∫02π(t+sint,t+cost,cost+sint)⋅(−sint,cost,1)dt =∫02π[t(cost−sint)+cos2t+cost+sint]dt=∫02πt(cost−sint)dt
=t(sint+cost)∣02π−∫02π(sint+cost)dt=2π.
- 4.
由于f(x)在[−π,π]上分段可微,且f(x)为偶函数,则f(x)可展开为Fourier级数,且其系数
an=π1∫−11cosnxdx=nπ2sinn,
因此
f(x)∼π1(1+2n=1∑∞nsinncosnx)={f(x),∣x∣=1,1/2,∣x∣=1.
令x=0,可得到n=1∑∞nsinn=2π−1.
由Parseval等式,
π22+π24n=1∑∞n2sin2n=π1∫−1112dx=π2⟹n=1∑∞n2sin2n=2π−1.
- 5.
由于S是闭合曲面,其在球坐标下方程为S:r=cosθ, 0⩽θ⩽2π.
由Gauss定理,
∬Sv⋅dS=∭Ω∇⋅vdV=∭Ω(y2+z2+x2)dV =球坐标变换∫02πdφ∫0π/2sinθdθ∫0cosθr2⋅r2dr
=52π∫0π/2−cos5θd(cosθ)=15π.
- 6.
- (1)
v在D1内没有奇点,因此可对任意闭曲线L⊂D1及其围成的区域D直接应用Green公式:
∮Lv⋅dl=∬D[∂x∂(a2x2+b2y2x)−∂y∂(a2x2+b2y2−y)] dxdy =∬D[(a2x2+b2y2)2b2y2−a2x2−(a2x2+b2y2)2b2y2−a2x2] dxdy=0.
- (2)
等价于证明存在不同的闭路L使得v关于L的环路积分不同.
- i.
对于不包含原点(奇点)的闭路L,结论与第(1)问相同,∮Lv⋅dl=0.
- ii.
对于包含原点的闭路L,考虑一特殊闭路椭圆线Γ:a2x2+b2y2=r2,将其写为参数方程的形式{x=rcosθ/a,y=rsinθ/b,那么环路积分写成
∮Γa2x2+b2y2−ydx+xdy=r21∫02π[−arsinθ⋅br(−sinθ)+arcosθ⋅brsinθ]dθ
由此可见v的环路积分值与积分路径有关,故v不是D2上的有势场.
- 7.
记含参反常积分F(u)=∫0+∞1+x2ln(1+ux2)dx, u∈(0,+∞),显然x→0+lim1+x2ln(1+ux2)=u,因此x=0不是被积函数的瑕点.
由于
x→+∞lim1/x3/2ln(1+ux2)/(1+x2)=x→+∞limxln(1+ux2)=0,∫1+∞x3/2dx收敛,
因此∫0+∞1+x2ln(1+ux2)dx绝对一致收敛到F(u).
而对∀u0>0,在[u0,+∞)内,
(1+x2)(1+ux2)x2⩽(1+x2)(1+u0x2)x2∼u0x21,∫1+∞u0x2dx收敛,
因此F(u)在(0,+∞)上可微,且F′(u)在[u0,+∞)上绝对一致收敛,那么
F′(u)=∫0+∞(1+x2)(1+ux2)x2dx=u−11∫0+∞(1+x21−1+ux21)dx
=u−11(2π−2π⋅u1)=2πu(u+1)1=2π(u1−u+11),
利用渐进条件u→0+limF(u)=0,积分得
∫0+∞1+x2ln(1+4x2)dx=F(4)=F(0+)+∫0+4F′(u)du=2π∫04(u1−u+11)du =t=u2π(2u04−∫021+t2tdt)=πln(1+u)04=πln3. - 8.
略.