[数学] vp23年江苏省数竞(一级B)

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[数学] vp23年江苏省数竞(一级B)

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数学-5/26-vp23年江苏省数竞(一级B)#

赛题#

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赛况#

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赛时#

填空题

第1题求极限, 常规的等价无穷小替换;

第2题求函数微分, 常规的求微分;

第3题极坐标, 直接求解即可;

第4题距离问题, 纯高中题目,但是赛时直接想通过椭圆的焦点计算?!(糖丸了…),转化为椭圆上点到圆心的最小距离-1即可;

第5题定积分计算, 常规换元后计算即可;

第6题变上限积分, 有个坑(专治眼残)要求的是dx/dydx/dy,导致赛时全错(不检查的cuo);

第7题多元函数微分, 直接计算即可;

第8题二重积分计算, 极坐标换元即可,甚至没考察对称性,感觉放在第8题非常不合理;

解答题

第二题一元积分计算, 较难的一道积分计算题,赛时的解法用了较多换元,补题提供了另一种解法(三角代换)

第三大题积分几何应用, 设点定积分求面积即可解决第一问,第二问分别用圆盘法和壳层法求解即可 (赛时不想写直接跳了)

第四大题二元函数概念题, 只会傻乎乎求偏导数了,概念忘了一堆,忘记如何用定义法求偏导数了,,,,赛后补题

第五大题二元函数微分, 第一问链式法则即可;第二问反求表达式,常见的解法是换元和偏积分方法,赛时忘记怎么写了,,,补一下第二种方法…

第六大题二重积分计算, 第一个积分交换积分次序即可,第二个积分极坐标换元后忘记极坐标r的变换了…补题补题

第七题极值问题, 高中题目

第八题证明题,好难好难

补题#

第二大题

求积分:

∫xarctan⁡x1−x2 dx.\begin{aligned}\int \frac{x \arctan x}{\sqrt{1-x^{2}}} \mathrm{~d} x.\end{aligned}
I=−1−x2arctan⁡x−∫(−1−x2)⋅11+x2 dxI = -\sqrt{1-x^{2}} \arctan x - \int (-\sqrt{1-x^{2}})\cdot \frac{1}{1+x^{2}}\, dx=−1−x2arctan⁡x+∫1−x21+x2 dx= -\sqrt{1-x^{2}} \arctan x + \int \frac{\sqrt{1-x^{2}}}{1+x^{2}}\, dx
J=∫1−x21+x2 dxJ = \int \frac{\sqrt{1-x^{2}}}{1+x^{2}}\, dx

作三角代换 x=sin⁡tx = \sin t,则 dx=cos⁡t dtdx = \cos t\, dt,1−x2=cos⁡t\sqrt{1-x^{2}} = \cos t。

于是

利用恒等式 cos⁡2t=1−sin⁡2t\cos^{2} t = 1 - \sin^{2} t:

因为

1−sin⁡2t1+sin⁡2t=−(1+sin⁡2t)+21+sin⁡2t=−1+21+sin⁡2t\frac{1 - \sin^{2} t}{1+\sin^{2} t} = \frac{-(1+\sin^{2} t) + 2}{1+\sin^{2} t} = -1 + \frac{2}{1+\sin^{2} t}

所以

J=−t+2∫dt1+sin⁡2tJ = -t + 2\int \frac{dt}{1+\sin^{2} t}

用 u=tan⁡tu = \tan t 代换,则 sin⁡2t=u21+u2\sin^{2} t = \frac{u^{2}}{1+u^{2}},dt=du1+u2dt = \frac{du}{1+u^{2}}:

=∫11+u21+u2⋅du1+u2=∫1+u21+2u2⋅du1+u2= \int \frac{1}{1+\frac{u^{2}}{1+u^{2}}} \cdot \frac{du}{1+u^{2}} = \int \frac{1+u^{2}}{1+2u^{2}} \cdot \frac{du}{1+u^{2}}

这是标准积分:

∫du1+2u2=12arctan⁡(2 u)\int \frac{du}{1+2u^{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} \arctan(\sqrt{2}\, u)

代回 u=tan⁡tu = \tan t,并由 x=sin⁡tx = \sin t,得 tan⁡t=x1−x2\tan t = \frac{x}{\sqrt{1-x^{2}}}。所以

2∫dt1+sin⁡2t=2arctan⁡ ⁣(2 x1−x2)2\int \frac{dt}{1+\sin^{2} t} = \sqrt{2} \arctan\!\left( \frac{\sqrt{2}\, x}{\sqrt{1-x^{2}}} \right)

因此

J=−arcsin⁡x+2arctan⁡ ⁣(2 x1−x2)+CJ = - \arcsin x + \sqrt{2} \arctan\!\left( \frac{\sqrt{2}\, x}{\sqrt{1-x^{2}}} \right) + C

代回 II:

I=−1−x2arctan⁡x−arcsin⁡x+2arctan⁡ ⁣(2 x1−x2)+CI = -\sqrt{1-x^{2}} \arctan x - \arcsin x + \sqrt{2} \arctan\!\left( \frac{\sqrt{2}\, x}{\sqrt{1-x^{2}}} \right) + C
第四大题设f(x,y)={x2arctan⁡yx−y2arctan⁡xy,xy≠00,xy=0,求fx′(x,y),fxy′′(x,0)设 f(x,y)=\begin{cases}x^{2}\arctan\dfrac{y}{x}-y^{2}\arctan\dfrac{x}{y},&xy\neq0\\0,&xy=0\end{cases}, \\求 f_{x}'(x,y),f_{xy}''(x,0)

当 xy≠0xy \neq 0 时求 fx′(x,y)f_x'(x,y)

此时函数为:

f(x,y)=x2arctan⁡yx−y2arctan⁡xyf(x,y) = x^{2} \arctan\frac{y}{x} - y^{2} \arctan\frac{x}{y}fx′(x,y)=2xarctan⁡yx−yf_x'(x,y)= 2x \arctan\frac{y}{x} - y

当 xy=0xy=0 时用定义求 fx′(x,y)f_x'(x,y)

(1) 在 (x,0)(x,0) 且 x \neq 0$$,y= 0:

fx′(x,0)=lim⁡h→0f(x+h,0)−f(x,0)hf_x'(x,0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h,0) - f(x,0)}{h}

由分段定义,f(x,0)=0f(x,0)=0;

所以 fx′(x,0)=0f_x'(x,0)=0。

该式也符合公式 2xarctan⁡(0)−0=02x \arctan(0) - 0 = 0,在 x≠0x \neq 0 时是连续的。

(2) 在 (0,y)(0,y) 且 y \neq 0$$,x = 0:

fx′(0,y)=lim⁡h→0f(h,y)−f(0,y)hf_x'(0,y) = \lim_{h \to 0} \frac{f(h,y) - f(0,y)}{h}

由于分子出现0⋅∞0⋅∞不定式,不能直接带入

当 h≠0h \neq 0 时,hy≠0h y \neq 0,可用解析表达式:

f(h,y)=h2arctan⁡yh−y2arctan⁡hyf(h,y) = h^{2} \arctan\frac{y}{h} - y^{2} \arctan\frac{h}{y}

因此:

fx′(0,y)=lim⁡h→0h2arctan⁡yh−y2arctan⁡hyhf_x'(0,y) = \lim_{h \to 0} \frac{h^{2} \arctan\frac{y}{h} - y^{2} \arctan\frac{h}{y}}{h}=lim⁡h→0[harctan⁡yh]−lim⁡h→0y2harctan⁡hy=0−y=−y= \lim_{h \to 0} \left[ h \arctan\frac{y}{h} \right] - \lim_{h \to 0} \frac{y^{2}}{h} \arctan\frac{h}{y} = 0 - y = -y

这也和公式 2⋅0⋅arctan⁡y0−y2\cdot 0 \cdot \arctan\frac{y}{0} - y 的极限形式相符(如令 arctan⁡∞=π/2\arctan\infty = \pi/2,则 2⋅0⋅π/2=02\cdot 0 \cdot \pi/2=0,减去 y 得 -y)。


先在 y=0y=0 附近考虑 fx′(x,y)f_x'(x,y)。

当 y≠0y \neq 0:

fx′(x,y)=2xarctan⁡yx−yf_x'(x,y) = 2x \arctan\frac{y}{x} - y

对 yy 求偏导(xx 常数):

fxy′′(x,y)=2xx2+y2−1f_{xy}''(x,y) = \frac{2x}{x^{2}+y^{2}} - 1

当 x≠0x \neq 0 时:

fxy′′(x,0)=2xx2−1=2x−1f_{xy}''(x,0) = \frac{2x}{x^{2}} - 1 = \frac{2}{x} - 1

特别地,如果要求 fxy′′(0,0)f_{xy}''(0,0),则需用定义:

fxy′′(0,0)=lim⁡k→0fx′(0,k)−fx′(0,0)kf_{xy}''(0,0) = \lim_{k \to 0} \frac{f_x'(0,k) - f_x'(0,0)}{k}

由之前结果:fx′(0,k)=−kf_x'(0,k) = -k,fx′(0,0)=0f_x'(0,0) = 0,所以:

=lim⁡k→0−k−0k=−1= \lim_{k \to 0} \frac{-k - 0}{k} = -1
第五大题已知可微函数f(u,v)满足∂f(u,v)∂u−∂f(u,v)∂v=2(u−v)e−(u+v),且f(u,0)=u2e−u,(1)记g(x,y)=f(x,y−x),求∂g(x,y)∂x;(2)求f(u,v)的表达式.已知可微函数 f(u,v) \\满足 \frac{\partial f(u,v)}{\partial u}-\frac{\partial f(u,v)}{\partial v}=2(u-v)e^{-(u+v)}, \\且 f(u,0)=u^2 e^{-u}, \\(1) 记 g(x,y)=f(x,y-x), 求 \frac{\partial g(x,y)}{\partial x}; \\(2) 求 f(u,v) 的表达式.

求偏积分:

g(x,y)=∫2(2x−y)e−y dx=2(x2−xy)e−y+h(y),g(x,y)=\int 2(2x-y)\mathrm{e}^{-y}\,\mathrm{d}x=2(x^2-xy)\mathrm{e}^{-y}+h(y),

由g(x,x)=f(x,0)=x2e−xg(x,x)=f(x,0)=x^2\mathrm{e}^{-x},得:

h(y)=y2e−y,h(y)=y^2\mathrm{e}^{-y},

故:

g(x,y)=∫2(2x−y)e−y dx=2(x2−xy)e−y+h(y),g(x,y)=\int 2(2x-y)\mathrm{e}^{-y}\,\mathrm{d}x=2(x^2-xy)\mathrm{e}^{-y}+h(y),

令u=x,v=y−xu = x, v = y - x,得:

f(u,v)=(u2+v2)e−(u+v)f(u,v) = (u^2 + v^2)e^{-(u+v)}
第六大题I=∫01dx∫0x1+y2 dy+3∫01dy∫12−y2x2+y2 dxI = \int_{0}^{1} \mathrm{d}x \int_{0}^{x} \sqrt{1+y^{2}} \, \mathrm{d}y + 3 \int_{0}^{1} \mathrm{d}y \int_{1}^{\sqrt{2-y^{2}}} \sqrt{x^{2}+y^{2}} \, \mathrm{d}x
I2=3∫01dy∫12−y2x2+y2 dxI_2 = 3 \int_{0}^{1} \mathrm{d}y \int_{1}^{\sqrt{2-y^{2}}} \sqrt{x^{2}+y^{2}} \, \mathrm{d}x

令 x=rcos⁡θx = r\cos\theta,y=rsin⁡θy = r\sin\theta,则 x2+y2=r\sqrt{x^{2}+y^{2}} = r,雅可比为 rr。

先看积分区域:

  • yy 从 0 到 1。
  • 对每个 yy,xx 从 1 到 2−y2\sqrt{2-y^{2}}。

在极坐标下:

  • x=1x = 1 对应 rcos⁡θ=1⇒r=sec⁡θr\cos\theta = 1 \Rightarrow r = \sec\theta。
  • x=2−y2x = \sqrt{2-y^{2}} 对应 x2+y2=2⇒r=2x^{2}+y^{2}=2 \Rightarrow r = \sqrt{2}(这是圆弧)。
  • y=0y=0 对应 θ=0\theta=0,y=1y=1 对应 θ=π/4\theta=\pi/4(因为当 y=1y=1 时,x=2−1=1x=\sqrt{2-1}=1,点 (1,1)(1,1) 对应 r=2,θ=π/4r=\sqrt{2},\theta=\pi/4)。

因此区域是:θ\theta 从 0 到 π/4\pi/4,rr 从 sec⁡θ\sec\theta 到 2\sqrt{2}。

积分变为:

I2=3∫0π/4 dθ∫sec⁡θ2r⋅r dr=3∫0π/4∫sec⁡θ2r2 dr dθI_{2}=3 \int_{0}^{\pi / 4} \mathrm{~d} \theta \int_{\sec \theta}^{\sqrt{2}} r \cdot r \mathrm{~d} r=3 \int_{0}^{\pi / 4} \int_{\sec \theta}^{\sqrt{2}} r^{2} \mathrm{~d} r \mathrm{~d} \theta

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作者
JulY
发布于
2026-05-26
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