数学-vp22年江苏省数竞(一级B)

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数学-vp22年江苏省数竞(一级B)

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数学-5/27-vp22年江苏省数竞(一级B)#

赛题

https://www.wolai.com/wQ7cAGPv22PGV234sd844K

赛况

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赛时
填空题

第1题间断点类, 清楚第一类间断点和第二类间断点的性质,一种可行的做法是先利用第一类间断点的必要条件(分子分母同时为0)求出未知数,再用第二类间断点来验证;

第2题极限, 赛时没做出来也是唯一一道没写出来的题,做起来感觉很奇怪,换元后也消不掉就放弃了,原来是泰勒展开少展开了一项,,,,

第3题求极限, 拉格朗日求即可;

第4题高阶导数, 挺有意思的一道题,赛时有点猜的做法(事实证明我猜对了但是真就是瞎猜),补题给出完整求解过程;

第5题一元积分, 直接求就行了;

第6题全微分, 直接求就行了;

第7题变上限积分, 换元后求就行了;

第8题二重积分, 交换积分次序后换元即可;

解答题

第二题微分题,(1)高中题目,证明单调后找到小于零和大于零的函数值即可;(2)根据问题(1)中xnxn的范围求解极限即可;

第三题一元积分题, 首先根据原函数求出f(x)f(x),带入所求积分后换即可,值得注意的是,利用sinxsinxcosxcosx0π/20到\pi/2上的等价性质可以很大程度上的减少计算难度;

第四大题参数方程及积分应用,(1)参数方程求导即可;(2)首先求出切线方程,后画出积分图像显然的可以计算(参数方程的面积计算公式);

第五题介质定理和周期性,是不太会的题型,赛时直接没写,赛后要好好补一下,,,(1)是证明积分中值定理,(2)是利用周期性计算积分的极限

第六题变现积分和导数定义, 首先对极限进行洛必达,随后要分类讨论f(0)的值是否为0,对于等于0的情况,要应用导数的定义进行求解f(0)=0,则原式=limx0f(x)f(0)x+f(x)f(0)x8.f(2x)f(0)2x=f(0)+f(0)8f(0)=14.若 f(0)=0,则 原式=\lim_{x\to 0}\frac{\frac{f(x)-f(0)}{x}+\frac{f(-x)-f(0)}{-x}}{8.\frac{f(2x)-f(0)}{2x}}=\frac{f'(0)+f'(0)}{8 f'(0)}=\frac{1}{4}.

第七题多元函数定义题, 利用定义判断连续性和计算一阶偏导,对于是否可微的计算赛时忘记公式了,,,

第八题带max的二重积分, 直接补题,,,

补题
第一题(2)

x时,函数f(x)=ax+b+12x2+x33是无穷小,则常数a=b=若 x\to\infty 时,函数 f(x)=ax+b+\sqrt[3]{1-2x^{2}+x^{3}} 是无穷小,则常数 a= , b=



f(x)=ax+b+x12x+1x33f(x) = ax + b + x \cdot \sqrt[3]{1 - \frac{2}{x} + \frac{1}{x^3}}

t=2x+1x3t = -\frac{2}{x} + \frac{1}{x^3}

xx \to \inftyt0t \to 0(1+t)1/3(1+t)^{1/3} 的泰勒展开:

(1+t)1/3=1+13t19t2+581t3+(1+t)^{1/3} = 1 + \frac{1}{3}t - \frac{1}{9}t^2 + \frac{5}{81}t^3 + \cdots
  • t=2x+1x3t = -\frac{2}{x} + \frac{1}{x^3}
  • t2=(2x)2+O(1x4)=4x2+O(1x4)t^2 = \left(-\frac{2}{x}\right)^2 + O\left(\frac{1}{x^4}\right) = \frac{4}{x^2} + O\left(\frac{1}{x^4}\right)
  • t3t^3 项会产生 1/x31/x^3,我们暂时需要到 t2t^2 为止即可,因为 xx 乘在外面。

代入:

(1+t)1/3=1+13(2x+1x3)19(4x2+O(1x4))+(1+t)^{1/3} = 1 + \frac{1}{3}\left(-\frac{2}{x} + \frac{1}{x^3}\right) - \frac{1}{9}\left(\frac{4}{x^2} + O\left(\frac{1}{x^4}\right)\right) + \cdots

简化:

=123x+13x349x2+O(1x4)= 1 - \frac{2}{3x} + \frac{1}{3x^3} - \frac{4}{9x^2} + O\left(\frac{1}{x^4}\right)
12x2+x33=x(123x49x2+O(1x3))\sqrt[3]{1 - 2x^2 + x^3} = x\left(1 - \frac{2}{3x} - \frac{4}{9x^2} + O\left(\frac{1}{x^3}\right)\right)=x2349x+O(1x2)= x - \frac{2}{3} - \frac{4}{9x} + O\left(\frac{1}{x^2}\right)

原式:

f(x)=ax+b+(x2349x+O(1x2))f(x) = ax + b + \left(x - \frac{2}{3} - \frac{4}{9x} + O\left(\frac{1}{x^2}\right)\right)

合并同类项:

f(x)=(a+1)x+(b23)49x+O(1x2)f(x) = (a+1)x + \left(b - \frac{2}{3}\right) - \frac{4}{9x} + O\left(\frac{1}{x^2}\right)

xx \to \infty

  • (a+1)x(a+1)x → 无穷大,除非系数为零,所以必须有:
a+1=0    a=1a + 1 = 0 \implies a = -1
  • 常数项为 (b23)\left(b - \frac{2}{3}\right),如果不为零,极限就是该常数,所以必须有:
b23=0    b=23b - \frac{2}{3} = 0 \implies b = \frac{2}{3}
第一题(4)

f(x)=x3ex=k=0nakxk+o(xn)(n>10),则a10f(10)(0)=设 f(x)=x^{3}e^{x}=\sum_{k=0}^{n}a_{k}x^{k}+o(x^{n})(n>10),则 a_{10}\cdot f^{(10)}(0)=

它其实就是 f(x)f(x)x=0x=0 处的泰勒展开(带皮亚诺余项)。

因此 aka_k 就是泰勒系数:

ak=f(k)(0)k!a_k = \frac{f^{(k)}(0)}{k!}

要求的量是:

a10f(10)(0)a_{10} \cdot f^{(10)}(0)

ex=m=0xmm!e^{x} = \sum_{m=0}^{\infty} \frac{x^{m}}{m!},所以

f(x)=x3m=0xmm!=m=0xm+3m!f(x) = x^{3} \sum_{m=0}^{\infty} \frac{x^{m}}{m!} = \sum_{m=0}^{\infty} \frac{x^{m+3}}{m!}

k=m+3k = m+3,则 m=k3m = k-3,于是

f(x)=k=3xk(k3)!f(x) = \sum_{k=3}^{\infty} \frac{x^{k}}{(k-3)!}

这是 f(x)f(x) 的麦克劳林展开,因此

ak={1(k3)!,k30,k<3a_{k}=\begin{cases}\frac{1}{(k-3)!},& k\geq 3\\0,& k<3\end{cases}

而根据泰勒公式,

ak=f(k)(0)k!a_k = \frac{f^{(k)}(0)}{k!}

所以当 k3k \ge 3 时,

f(k)(0)k!=1(k3)!\frac{f^{(k)}(0)}{k!} = \frac{1}{(k-3)!}

得到

f(k)(0)=k!(k3)!f^{(k)}(0) = \frac{k!}{(k-3)!}

代入 k=10k=10

f(10)(0)=10!7!=10×9×8=720f^{(10)}(0) = \frac{10!}{7!} = 10 \times 9 \times 8 = 720

根据上面:

a10=1(103)!=17!=15040a_{10} = \frac{1}{(10-3)!} = \frac{1}{7!} = \frac{1}{5040}
a10f(10)(0)=15040×720=7205040=17a_{10} \cdot f^{(10)}(0) = \frac{1}{5040} \times 720 = \frac{720}{5040} = \frac{1}{7}
第五题

(1)设函数f(x)g(x)都在闭区间[a,b]上连续,且g(x)0,证明:存在ξ[a,b],使得abf(x)g(x)dx=f(ξ)abg(x)dx(1) 设函数 f(x),g(x) 都在闭区间 [a,b] 上连续,且 g(x) \geq 0,证明:存在 \xi \in [a,b],使得 \int_{a}^{b} f(x)g(x)\mathrm{d}x = f(\xi)\int_{a}^{b} g(x)\mathrm{d}x;

(2) $$求 \lim_{n\to\infty}\int_{0}^{\pi} x^{2022}|\sin nx|\mathrm{d}x.


(1) 证明积分中值定理

已知条件

  • f(x),g(x)f(x), g(x)[a,b][a,b] 上连续
  • g(x)0g(x) \ge 0

要证:存在 ξ[a,b]\xi \in [a,b],使得

abf(x)g(x)dx=f(ξ)abg(x)dx\int_a^b f(x)g(x)\,dx = f(\xi) \int_a^b g(x)\,dx

使用连续函数在闭区间上的最值定理介值定理


因为 ff[a,b][a,b] 上连续,所以必有最大值 MM 和最小值 mm,即对任意 x[a,b]x \in [a,b]

mf(x)Mm \le f(x) \le M

因为 g(x)0g(x) \ge 0,所以不等式乘 g(x)g(x) 后方向不变:

mg(x)f(x)g(x)Mg(x)m\,g(x) \le f(x)g(x) \le M\,g(x)

xxaabb 积分:

mabg(x)dxabf(x)g(x)dxMabg(x)dxm\int_a^b g(x)\,dx \le \int_a^b f(x)g(x)\,dx \le M\int_a^b g(x)\,dx

情况 1abg(x)dx=0\int_a^b g(x)\,dx = 0

由于 g(x)0g(x) \ge 0 且连续,这意味着 g(x)0g(x) \equiv 0[a,b][a,b] 上。那么原等式左右两边都是 0,任意 ξ\xi 都成立,结论显然。

情况 2abg(x)dx>0\int_a^b g(x)\,dx > 0

μ=abf(x)g(x)dxabg(x)dx\mu = \frac{\int_a^b f(x)g(x)\,dx}{\int_a^b g(x)\,dx}

由上面不等式可知:

mμMm \le \mu \le M

根据连续函数的介值定理,存在 ξ[a,b]\xi \in [a,b],使得 f(ξ)=μf(\xi) = \mu。代回 μ\mu 的定义,即得:

abf(x)g(x)dx=f(ξ)abg(x)dx\int_a^b f(x)g(x)\,dx = f(\xi) \int_a^b g(x)\,dx

综上,两种情况都成立,命题得证。


L=limn0πx2022sinnxdxL = \lim_{n\to\infty} \int_{0}^{\pi} x^{2022} |\sin nx| \, dx

sinnx\vert \sin nx \vert 的周期是 πn\frac{\pi}{n}

[0,π][0,\pi] 分为 nn 个长度为 πn\frac{\pi}{n} 的小区间:

L=k=1n(k1)π/nkπ/nx2022sinnxdxL = \sum_{k=1}^{n} \int_{(k-1)\pi/n}^{k\pi/n} x^{2022} |\sin nx| \, dx

对第 kk 个小区间,令变量代换:

x=(k1)πn+tn,t[0,π]x = \frac{(k-1)\pi}{n} + \frac{t}{n}, \quad t \in [0,\pi]

dx=dtn,nx=(k1)π+tdx = \frac{dt}{n},\quad nx = (k-1)\pi + t

由于 sin((k1)π+t)=±sint=sint|\sin((k-1)\pi + t)| = |\pm \sin t| = \sin t,所以:

该项=0π((k1)πn+tn)2022sintdtn\text{该项} = \int_{0}^{\pi} \left( \frac{(k-1)\pi}{n} + \frac{t}{n} \right)^{2022} \sin t \cdot \frac{dt}{n}

在第 kk 个小区间上,xx 的取值满足:

(k1)πnxkπn\frac{(k-1)\pi}{n} \le x \le \frac{k\pi}{n}

因此:

((k1)πn)2022x2022(kπn)2022\left( \frac{(k-1)\pi}{n} \right)^{2022} \le x^{2022} \le \left( \frac{k\pi}{n} \right)^{2022}

两边乘以 sinnx|\sin nx| 并在该区间积分,再把 nn 个区间加起来:

k=1n((k1)πn)20221n0πsintdtLk=1n(kπn)20221n0πsintdt\begin{aligned}\\\sum_{k=1}^{n}\left(\frac{(k-1)\pi}{n}\right)^{2022}\frac{1}{n}\int_{0}^{\pi}\sin t\,dt \leq L \leq \sum_{k=1}^{n}\left(\frac{k\pi}{n}\right)^{2022}\frac{1}{n}\int_{0}^{\pi}\sin t\,dt\\\end{aligned}

计算 0πsintdt=2\int_{0}^{\pi} \sin t \, dt = 2,得到:

2π2022n2023k=1n(k1)2022L2π2022n2023k=1nk2022\begin{aligned}\\\frac{2\pi^{2022}}{n^{2023}} \sum_{k=1}^{n}(k-1)^{2022} &\leq L \leq \frac{2\pi^{2022}}{n^{2023}} \sum_{k=1}^{n} k^{2022}\\\end{aligned}

由:

limn1np+1k=1nkp=1p+1(p>1)\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n^{p+1}} \sum_{k=1}^{n} k^p = \frac{1}{p+1} \quad (p > -1)

得:

k=1nk2022n20232023k=1n(k1)2022n20232023\begin{aligned}\\\sum_{k=1}^{n} k^{2022} & \sim \frac{n^{2023}}{2023} \quad \text{和} \quad \sum_{k=1}^{n}(k-1)^{2022} \sim \frac{n^{2023}}{2023}\\\end{aligned}

左右两边的极限相同,都是:

2π20222023\frac{2\pi^{2022}}{2023}

由夹逼定理:

L=2π20222023L = \frac{2\pi^{2022}}{2023}
第七题f(x,y)={x3siny3x2+y2,(x,y)(0,0)0,(x,y)=(0,0),试讨论函数f(x,y)在点(0,0)处是否连续?是否存在一阶偏导数?是否可微?f(x,y)=\begin{cases}\frac{x^{3}-\sin y^{3}}{x^{2}+y^{2}},&(x,y)\neq(0,0)\\0,&(x,y)=(0,0)\end{cases},试讨论函数f(x,y)在点(0,0)处是否连续?是否存在一阶偏导数?是否可微?\\

一、连续性

f(x,y)x3+siny3x2+y2x3+y3x2+y2x+y,limx0y0f(x,y)=0,从而limx0y0f(x,y)=0=f(0,0),f(x,y)在点(0,0)处连续;由 \mid f(x,y)\mid\leq\frac{\mid x\mid^{3}+\mid\sin y\mid^{3}}{x^{2}+y^{2}}\leq\frac{\mid x\mid^{3}+\mid y\mid^{3}}{x^{2}+y^{2}}\leq\mid x\mid+\mid y\mid, 得 \lim_{\substack{x\to0\\y\to0}}\mid f(x,y)\mid=0, \\ 从而 \lim_{\substack{x\to0\\y\to0}}f(x,y)=0=f(0,0), 故 f(x,y) 在点 (0,0) 处连续;

二、一阶偏导数

xx 的偏导数 fx(0,0)f_x(0,0)

定义:

fx(0,0)=limh0f(h,0)f(0,0)hf_x(0,0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(h,0) - f(0,0)}{h}

f(h,0)=h3sin0h2+0=h3h2=hf(h,0) = \dfrac{h^{3} - \sin 0}{h^{2} + 0} = \dfrac{h^{3}}{h^{2}} = hh0h \neq 0),f(0,0)=0f(0,0)=0

于是:

fx(0,0)=limh0h0h=1f_x(0,0) = \lim_{h \to 0} \frac{h - 0}{h} = 1

yy 的偏导数 fy(0,0)f_y(0,0)

定义:

fy(0,0)=limk0f(0,k)f(0,0)kf_y(0,0) = \lim_{k \to 0} \frac{f(0,k) - f(0,0)}{k}

f(0,k)=0sink30+k2=sink3k2f(0,k) = \dfrac{0 - \sin k^{3}}{0 + k^{2}} = -\dfrac{\sin k^{3}}{k^{2}}

k0k \to 0sink3k3\sin k^{3} \sim k^{3},所以 f(0,k)k3k2=kf(0,k) \sim -\dfrac{k^{3}}{k^{2}} = -k

因此:

fy(0,0)=limk0k0k=1f_y(0,0) = \lim_{k \to 0} \frac{-k - 0}{k} = -1

一阶偏导数都存在,且

fx(0,0)=1,fy(0,0)=1f_x(0,0) = 1, \quad f_y(0,0) = -1

三、可微性

可微的定义

ff(0,0)(0,0) 可微,是指:

lim(h,k)(0,0)f(h,k)f(0,0)fx(0,0)hfy(0,0)kh2+k2=0\lim_{(h,k)\to(0,0)} \frac{f(h,k) - f(0,0) - f_x(0,0)h - f_y(0,0)k}{\sqrt{h^{2}+k^{2}}} = 0

代入已知值:

Δ=f(h,k)h+kh2+k2\Delta = \frac{f(h,k) - h + k}{\sqrt{h^{2}+k^{2}}}

其中 f(h,k)=h3sink3h2+k2f(h,k) = \dfrac{h^{3} - \sin k^{3}}{h^{2}+k^{2}}(当 (h,k)(0,0)(h,k) \neq (0,0))。

沿特殊路径检验

沿路径 h=0h = 0

sink3k3k96\sin k^{3} \approx k^{3} - \frac{k^{9}}{6}

sink3k2=kk76+\frac{\sin k^{3}}{k^{2}} = k - \frac{k^{7}}{6} + \cdots

所以分子:

(kk76)+k=k76+-\left(k - \frac{k^{7}}{6}\right) + k = \frac{k^{7}}{6} + \cdots

因此:

Δk7/6k=k6sgn(k)60\Delta \approx \frac{k^{7}/6}{|k|} = \frac{|k|^{6} \cdot \text{sgn}(k)}{6} \to 0

(当 k0k \to 0,极限为 0)

再沿 k=hk = h

f(h,h)=h3sinh32h2f(h,h) = \frac{h^{3} - \sin h^{3}}{2h^{2}}

展开 sinh3=h3h96+\sin h^{3} = h^{3} - \frac{h^{9}}{6} + \cdots,分子为 h96+\frac{h^{9}}{6} + \cdots,所以 f(h,h)h712f(h,h) \approx \frac{h^{7}}{12}

此时:

Δ=h712h+h2h=h7122h0\Delta = \frac{\frac{h^{7}}{12} - h + h}{\sqrt{2}|h|} = \frac{h^{7}}{12\sqrt{2}|h|} \to 0

两次路径检验均为 0,但这还不够。

严格判断

用极坐标 h=rcosθh = r\cos\thetak=rsinθk = r\sin\theta

分子:

f(h,k)h+k=r3cos3θsin(r3sin3θ)r2rcosθ+rsinθf(h,k) - h + k = \frac{r^{3}\cos^{3}\theta - \sin(r^{3}\sin^{3}\theta)}{r^{2}} - r\cos\theta + r\sin\theta

展开 sin(r3sin3θ)=r3sin3θr9sin9θ6+\sin(r^{3}\sin^{3}\theta) = r^{3}\sin^{3}\theta - \frac{r^{9}\sin^{9}\theta}{6} + \cdots,有:

r3cos3θ(r3sin3θr9sin9θ6)r2r(cosθsinθ)\frac{r^{3}\cos^{3}\theta - (r^{3}\sin^{3}\theta - \frac{r^{9}\sin^{9}\theta}{6})}{r^{2}} - r(\cos\theta - \sin\theta)

第一项为:

r(cos3θsin3θ)+r7sin9θ6r(cosθsinθ)r(\cos^{3}\theta - \sin^{3}\theta) + \frac{r^{7}\sin^{9}\theta}{6} - r(\cos\theta - \sin\theta)

注意 cos3θsin3θ\cos^{3}\theta - \sin^{3}\theta 不一定等于 cosθsinθ\cos\theta - \sin\theta,它们的差是:

利用 cos2θ+sin2θ=1\cos^{2}\theta + \sin^{2}\theta = 1,化简为:

(cosθsinθ)(cosθsinθ)(\cos\theta - \sin\theta)(\cos\theta\sin\theta)

于是分子变为:

r(cosθsinθ)cosθsinθ+r7sin9θ6r(\cos\theta - \sin\theta)\cos\theta\sin\theta + \frac{r^{7}\sin^{9}\theta}{6}

除以 h2+k2=r\sqrt{h^{2}+k^{2}} = r 后,Δ\Delta 为:

(cosθsinθ)cosθsinθ+r6sin9θ6(\cos\theta - \sin\theta)\cos\theta\sin\theta + \frac{r^{6}\sin^{9}\theta}{6}

r0r \to 0 时,第二项消失,但第一项与 rr 无关,且依赖于 θ\theta

例如取 θ=π/4\theta = \pi/4,第一项不为零。因此极限依赖于方向,并不为零。


尽管偏导数存在,但可微的极限条件不满足,故 ff(0,0)(0,0)不可微

第八题D(x3cosy2+max{x2+y2,2y})dx dy, 其中 D={(x,y)1x1,0y2}\iint_{D}\left(\sqrt[3]{x} \cos y^{2}+\max \left\{x^{2}+y^{2}, 2 y\right\}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y \text {, 其中 } D=\left\{(x, y) \mid-1 \leq x \leq 1,0 \leq y \leq 2\right\}

利用积分线性性质:

I=Dx3cosy2dxdy+Dmax{x2+y2,  2y}dxdy=I1+I2I = \iint_{D} \sqrt[3]{x} \cos y^{2} \, dx\,dy + \iint_{D} \max\{x^{2}+y^{2},\; 2y\} \, dx\,dy = I_1 + I_2

计算 I1I_1

I1=y=02(x=11x1/3cosy2dx)dyI_1 = \int_{y=0}^{2} \left( \int_{x=-1}^{1} x^{1/3} \cos y^{2} \, dx \right) dy

内层对 xx 积分:

11x1/3dx\int_{-1}^{1} x^{1/3} \, dx

注意 x1/3x^{1/3} 是奇函数,积分区间对称,所以该定积分为 0。

于是:

I1=02cosy20dy=0I_1 = \int_{0}^{2} \cos y^{2} \cdot 0 \, dy = 0

分析 I2I_2 的 max 函数

需要在 DD 上比较 x2+y2x^{2}+y^{2}2y2y 的大小。

令:

x2+y22y    x2+y22y0    x2+(y1)21x^{2} + y^{2} \ge 2y \iff x^{2} + y^{2} - 2y \ge 0 \iff x^{2} + (y-1)^{2} \ge 1

反之,x2+y2<2yx^{2}+y^{2} < 2y 等价于 x2+(y1)2<1x^{2} + (y-1)^{2} < 1

因此,max 项的划分是:

  • 区域 D1D_1(圆外或圆上)x2+(y1)21x^{2}+(y-1)^{2} \ge 1,这时 max=x2+y2\max = x^{2}+y^{2}
  • 区域 D2D_2(圆内)x2+(y1)2<1x^{2}+(y-1)^{2} < 1,这时 max=2y\max = 2y

DD 内,该圆是圆心 (0,1)(0,1)、半径 11 的圆。


圆外部分 D1D_1的积分

区域 DD 中去掉上方的半圆(因为 y[0,2]y \in [0,2],该圆完全在 DD 内)。

积分项:

I2a=D1(x2+y2)dxdy=D(x2+y2)dxdyD2(x2+y2)dxdyI_{2a} = \iint_{D_1} (x^{2}+y^{2}) \, dx\,dy = \iint_{D} (x^{2}+y^{2}) \, dx\,dy - \iint_{D_2} (x^{2}+y^{2}) \, dx\,dy

全矩形积分

Dx2dxdy=11x2dx02dy=[x33]112=232=43\iint_{D} x^{2} \, dx\,dy = \int_{-1}^{1} x^{2} dx \cdot \int_{0}^{2} dy = \left[ \frac{x^{3}}{3} \right]_{-1}^{1} \cdot 2 = \frac{2}{3} \cdot 2 = \frac{4}{3}Dy2dxdy=11dx02y2dy=2[y33]02=283=163\iint_{D} y^{2} \, dx\,dy = \int_{-1}^{1} dx \cdot \int_{0}^{2} y^{2} dy = 2 \cdot \left[ \frac{y^{3}}{3} \right]_{0}^{2} = 2 \cdot \frac{8}{3} = \frac{16}{3}

所以:

D(x2+y2)=43+163=203\iint_{D} (x^{2}+y^{2}) = \frac{4}{3} + \frac{16}{3} = \frac{20}{3}

圆内部分 D2D_2的积分

x2+(y1)21x^{2} + (y-1)^{2} \le 1。用极坐标平移:

x=rcosθx = r\cos\thetay=1+rsinθy = 1 + r\sin\theta,则 0r10 \le r \le 10θ2π0 \le \theta \le 2\pi,但此处 D2D_2 与矩形重合部分是整个圆(全部在 y[0,2]y\in[0,2] 内)。

D2(x2+y2)dxdy=02π01[r2cos2θ+(1+rsinθ)2]rdrdθ\iint_{D_2} (x^{2}+y^{2}) \, dx\,dy = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} \left[ r^{2}\cos^{2}\theta + (1 + r\sin\theta)^{2} \right] r \, dr\, d\theta

化简:

r2cos2θ+1+2rsinθ+r2sin2θ=r2(cos2θ+sin2θ)+1+2rsinθ=r2+1+2rsinθr^{2}\cos^{2}\theta + 1 + 2r\sin\theta + r^{2}\sin^{2}\theta = r^{2}(\cos^{2}\theta + \sin^{2}\theta) + 1 + 2r\sin\theta = r^{2} + 1 + 2r\sin\theta

rr 后为:

r3+r+2r2sinθr^{3} + r + 2r^{2}\sin\theta

积分:

01(r3+r)dr=14+12=34\int_{0}^{1} (r^{3}+r)dr = \frac{1}{4} + \frac{1}{2} = \frac{3}{4}

02π34dθ=342π=3π2\int_{0}^{2\pi} \frac{3}{4} d\theta = \frac{3}{4} \cdot 2\pi = \frac{3\pi}{2}

交叉项 02πsinθdθ=0\int_{0}^{2\pi} \sin\theta \, d\theta = 0,贡献为 0。

所以:

D2(x2+y2)=3π2\iint_{D_2} (x^{2}+y^{2}) = \frac{3\pi}{2}

圆内部分用 2y2y 的积分(用于 max 计算)

D22ydxdy=202π01(1+rsinθ)rdrdθ\iint_{D_2} 2y \, dx\,dy = 2\int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} (1 + r\sin\theta) r \, dr\, d\theta

对内积分:

01(r+r2sinθ)dr=12+13sinθ\int_{0}^{1} (r + r^{2}\sin\theta) dr = \frac{1}{2} + \frac{1}{3}\sin\theta

外积分:


D1D_1 上,max 是 x2+y2x^{2}+y^{2},积分等于:

D1(x2+y2)=2033π2\iint_{D_1} (x^{2}+y^{2}) = \frac{20}{3} - \frac{3\pi}{2}

D2D_2 上,max 是 2y2y,积分是 2π2\pi

所以:

I2=(2033π2)+2π=203+π2I_2 = \left( \frac{20}{3} - \frac{3\pi}{2} \right) + 2\pi = \frac{20}{3} + \frac{\pi}{2}
数学-vp22年江苏省数竞(一级B)
http://blog.7a7a68.xyz/posts/数学-5-27-vp22年江苏省数竞一级b/
作者
Waning
发布于
2026-05-27
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0
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