补题
第一题(2)
若x→∞时,函数f(x)=ax+b+31−2x2+x3是无穷小,则常数a=,b=
f(x)=ax+b+x⋅31−x2+x31
设
t=−x2+x31当 x→∞,t→0, (1+t)1/3 的泰勒展开:
(1+t)1/3=1+31t−91t2+815t3+⋯
- t=−x2+x31
- t2=(−x2)2+O(x41)=x24+O(x41)
- t3 项会产生 1/x3,我们暂时需要到 t2 为止即可,因为 x 乘在外面。
代入:
(1+t)1/3=1+31(−x2+x31)−91(x24+O(x41))+⋯简化:
=1−3x2+3x31−9x24+O(x41)
31−2x2+x3=x(1−3x2−9x24+O(x31))=x−32−9x4+O(x21)
原式:
f(x)=ax+b+(x−32−9x4+O(x21))合并同类项:
f(x)=(a+1)x+(b−32)−9x4+O(x21)
当 x→∞:
- (a+1)x → 无穷大,除非系数为零,所以必须有:
a+1=0⟹a=−1
- 常数项为 (b−32),如果不为零,极限就是该常数,所以必须有:
b−32=0⟹b=32
第一题(4)
设f(x)=x3ex=∑k=0nakxk+o(xn)(n>10),则a10⋅f(10)(0)=?
它其实就是 f(x) 在 x=0 处的泰勒展开(带皮亚诺余项)。
因此 ak 就是泰勒系数:
ak=k!f(k)(0)要求的量是:
a10⋅f(10)(0)
ex=∑m=0∞m!xm,所以
f(x)=x3m=0∑∞m!xm=m=0∑∞m!xm+3令 k=m+3,则 m=k−3,于是
f(x)=k=3∑∞(k−3)!xk这是 f(x) 的麦克劳林展开,因此
ak={(k−3)!1,0,k≥3k<3而根据泰勒公式,
ak=k!f(k)(0)所以当 k≥3 时,
k!f(k)(0)=(k−3)!1得到
f(k)(0)=(k−3)!k!代入 k=10:
f(10)(0)=7!10!=10×9×8=720
根据上面:
a10=(10−3)!1=7!1=50401
a10⋅f(10)(0)=50401×720=5040720=71
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;
(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) 在 [a,b] 上连续
- g(x)≥0
要证:存在 ξ∈[a,b],使得
∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx
使用连续函数在闭区间上的最值定理与介值定理。
因为 f 在 [a,b] 上连续,所以必有最大值 M 和最小值 m,即对任意 x∈[a,b]:
m≤f(x)≤M
因为 g(x)≥0,所以不等式乘 g(x) 后方向不变:
mg(x)≤f(x)g(x)≤Mg(x)对 x 从 a 到 b 积分:
m∫abg(x)dx≤∫abf(x)g(x)dx≤M∫abg(x)dx
情况 1:∫abg(x)dx=0
由于 g(x)≥0 且连续,这意味着 g(x)≡0 在 [a,b] 上。那么原等式左右两边都是 0,任意 ξ 都成立,结论显然。
情况 2:∫abg(x)dx>0
令
μ=∫abg(x)dx∫abf(x)g(x)dx由上面不等式可知:
m≤μ≤M根据连续函数的介值定理,存在 ξ∈[a,b],使得 f(ξ)=μ。代回 μ 的定义,即得:
∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx综上,两种情况都成立,命题得证。
L=n→∞lim∫0πx2022∣sinnx∣dx
∣sinnx∣ 的周期是 nπ。
将 [0,π] 分为 n 个长度为 nπ 的小区间:
L=k=1∑n∫(k−1)π/nkπ/nx2022∣sinnx∣dx对第 k 个小区间,令变量代换:
x=n(k−1)π+nt,t∈[0,π]则
dx=ndt,nx=(k−1)π+t由于 ∣sin((k−1)π+t)∣=∣±sint∣=sint,所以:
该项=∫0π(n(k−1)π+nt)2022sint⋅ndt
在第 k 个小区间上,x 的取值满足:
n(k−1)π≤x≤nkπ因此:
(n(k−1)π)2022≤x2022≤(nkπ)2022两边乘以 ∣sinnx∣ 并在该区间积分,再把 n 个区间加起来:
k=1∑n(n(k−1)π)2022n1∫0πsintdt≤L≤k=1∑n(nkπ)2022n1∫0πsintdt计算 ∫0πsintdt=2,得到:
n20232π2022k=1∑n(k−1)2022≤L≤n20232π2022k=1∑nk2022
由:
n→∞limnp+11k=1∑nkp=p+11(p>−1)得:
k=1∑nk2022∼2023n2023和k=1∑n(k−1)2022∼2023n2023左右两边的极限相同,都是:
20232π2022由夹逼定理:
L=20232π2022
第七题
f(x,y)={x2+y2x3−siny3,0,(x,y)=(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?
一、连续性
由∣f(x,y)∣≤x2+y2∣x∣3+∣siny∣3≤x2+y2∣x∣3+∣y∣3≤∣x∣+∣y∣,得x→0y→0lim∣f(x,y)∣=0,从而x→0y→0limf(x,y)=0=f(0,0),故f(x,y)在点(0,0)处连续;
二、一阶偏导数
对 x 的偏导数 fx(0,0)
定义:
fx(0,0)=h→0limhf(h,0)−f(0,0)f(h,0)=h2+0h3−sin0=h2h3=h(h=0),f(0,0)=0。
于是:
fx(0,0)=h→0limhh−0=1对 y 的偏导数 fy(0,0)
定义:
fy(0,0)=k→0limkf(0,k)−f(0,0)f(0,k)=0+k20−sink3=−k2sink3。
当 k→0,sink3∼k3,所以 f(0,k)∼−k2k3=−k。
因此:
fy(0,0)=k→0limk−k−0=−1一阶偏导数都存在,且
fx(0,0)=1,fy(0,0)=−1
三、可微性
可微的定义
f 在 (0,0) 可微,是指:
(h,k)→(0,0)limh2+k2f(h,k)−f(0,0)−fx(0,0)h−fy(0,0)k=0代入已知值:
Δ=h2+k2f(h,k)−h+k其中 f(h,k)=h2+k2h3−sink3(当 (h,k)=(0,0))。
沿特殊路径检验
沿路径 h=0:
用 sink3≈k3−6k9:
k2sink3=k−6k7+⋯所以分子:
−(k−6k7)+k=6k7+⋯因此:
Δ≈∣k∣k7/6=6∣k∣6⋅sgn(k)→0(当 k→0,极限为 0)
再沿 k=h:
f(h,h)=2h2h3−sinh3展开 sinh3=h3−6h9+⋯,分子为 6h9+⋯,所以 f(h,h)≈12h7。
此时:
Δ=2∣h∣12h7−h+h=122∣h∣h7→0两次路径检验均为 0,但这还不够。
严格判断
用极坐标 h=rcosθ,k=rsinθ:
分子:
f(h,k)−h+k=r2r3cos3θ−sin(r3sin3θ)−rcosθ+rsinθ展开 sin(r3sin3θ)=r3sin3θ−6r9sin9θ+⋯,有:
r2r3cos3θ−(r3sin3θ−6r9sin9θ)−r(cosθ−sinθ)第一项为:
r(cos3θ−sin3θ)+6r7sin9θ−r(cosθ−sinθ)注意 cos3θ−sin3θ 不一定等于 cosθ−sinθ,它们的差是:
利用 cos2θ+sin2θ=1,化简为:
(cosθ−sinθ)(cosθsinθ)于是分子变为:
r(cosθ−sinθ)cosθsinθ+6r7sin9θ除以 h2+k2=r 后,Δ 为:
(cosθ−sinθ)cosθsinθ+6r6sin9θ当 r→0 时,第二项消失,但第一项与 r 无关,且依赖于 θ。
例如取 θ=π/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 f 在 (0,0) 处不可微。
第八题
∬D(3xcosy2+max{x2+y2,2y})dx dy, 其中 D={(x,y)∣−1≤x≤1,0≤y≤2}
利用积分线性性质:
I=∬D3xcosy2dxdy+∬Dmax{x2+y2,2y}dxdy=I1+I2
计算 I1
I1=∫y=02(∫x=−11x1/3cosy2dx)dy内层对 x 积分:
∫−11x1/3dx注意 x1/3 是奇函数,积分区间对称,所以该定积分为 0。
于是:
I1=∫02cosy2⋅0dy=0
分析 I2 的 max 函数
需要在 D 上比较 x2+y2 与 2y 的大小。
令:
x2+y2≥2y⟺x2+y2−2y≥0⟺x2+(y−1)2≥1反之,x2+y2<2y 等价于 x2+(y−1)2<1。
因此,max 项的划分是:
- 区域 D1(圆外或圆上):x2+(y−1)2≥1,这时 max=x2+y2
- 区域 D2(圆内):x2+(y−1)2<1,这时 max=2y
在 D 内,该圆是圆心 (0,1)、半径 1 的圆。
圆外部分 D1的积分
区域 D 中去掉上方的半圆(因为 y∈[0,2],该圆完全在 D 内)。
积分项:
I2a=∬D1(x2+y2)dxdy=∬D(x2+y2)dxdy−∬D2(x2+y2)dxdy全矩形积分:
∬Dx2dxdy=∫−11x2dx⋅∫02dy=[3x3]−11⋅2=32⋅2=34∬Dy2dxdy=∫−11dx⋅∫02y2dy=2⋅[3y3]02=2⋅38=316所以:
∬D(x2+y2)=34+316=320
圆内部分 D2的积分
圆 x2+(y−1)2≤1。用极坐标平移:
令 x=rcosθ,y=1+rsinθ,则 0≤r≤1,0≤θ≤2π,但此处 D2 与矩形重合部分是整个圆(全部在 y∈[0,2] 内)。
∬D2(x2+y2)dxdy=∫02π∫01[r2cos2θ+(1+rsinθ)2]rdrdθ化简:
r2cos2θ+1+2rsinθ+r2sin2θ=r2(cos2θ+sin2θ)+1+2rsinθ=r2+1+2rsinθ乘 r 后为:
r3+r+2r2sinθ积分:
∫01(r3+r)dr=41+21=43∫02π43dθ=43⋅2π=23π
交叉项 ∫02πsinθdθ=0,贡献为 0。
所以:
∬D2(x2+y2)=23π
圆内部分用 2y 的积分(用于 max 计算)
∬D22ydxdy=2∫02π∫01(1+rsinθ)rdrdθ对内积分:
∫01(r+r2sinθ)dr=21+31sinθ外积分:
在 D1 上,max 是 x2+y2,积分等于:
∬D1(x2+y2)=320−23π在 D2 上,max 是 2y,积分是 2π。
所以:
I2=(320−23π)+2π=320+2π