高等数学同济第六版5习题课

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2019年同济第六版高数答案(高等数学课后习题解答)3.doc

习题11-81. 将下列各周期函数展开成傅里叶级数(下面给出函数在一个周期内的表达式): (1))2121(1)(2<≤--=x x x f ;解因为f (x )=1-x 2为偶函数, 所以b n =0(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅), 而611)1(4)1(2/12210221020=-=-=⎰⎰dx x dx x a ,⎰-=21022/1cos )1(2/12dx x n x a n π 2212102)1(2cos )1(4ππn xdx n x n +-=-=⎰(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅),由于f (x )在(-∞, +∞)内连续, 所以∑∞=+-+=12122cos )1(11211)(n n x n n x f ππ, x ∈(-∞, +∞).(2)⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<≤-<≤<≤-=121 1210 101 )(x x x x x f ;解 21)(1212100111-=-+==⎰⎰⎰⎰--dx dx xdx dx x f a n ,⎰⎰⎰⎰-+==--1212100111cos cos cos cos )(xdx n xdx n xdx n x xdx n x f a n ππππ 2sin 2])1(1[122πππn n n n +--= (n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅),dx x n xdx n xdx n x xdx n x f b n ⎰⎰⎰⎰-+==--121210111sin sin sin sin )(πππππππn n n 12cos 2+-= (n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅). 而在(-∞, +∞)上f (x )的间断点为x =2k , 212+k , k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅, 故 }s i n 2c o s 21c o s ]2s i n 2)1(1{[41)(122x n n n x n n n n x f n n πππππππ-++--+-=∑∞=(x ≠2k , 212+≠k x , k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅).(3)⎩⎨⎧<≤<≤-+=30 1 03 12)(x x x x f .解 1])12([31)(313003330-=++==⎰⎰⎰--dx dx x dx x f a ,]3cos 3cos )12([313cos )(31300333⎰⎰⎰--++==dx x n dx x n x dx x n x f a n πππ])1(1[622n n --=π(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ ), ]3sin 3sin )12([313sin )(31300333⎰⎰⎰--++==dx x n dx x n x dx x n x f b n πππn n )1(6-=π(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ ),而在(-∞, +∞)上, f (x )的间断点为 x =3(2k +1), k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅,故 }3sin 6)1(3cos])1(1[6{21)(1122∑∞=+-+--+-=n n n x n n x n n x f ππππ,(x ≠3(2k +1), k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅).2. 将下列函数分别展开成正弦级数和余弦级数:(1)⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-<≤=lx x l l x x x f 2l20 )(; 解正弦级数:对f (x )进行奇延拓, 则函数的傅氏系数为 a 0=0(n =0, 1, 2, ⋅ ⋅ ⋅),2sin 4]sin )(sin [22221210ππππn n l dx l x n x l dx l x n x l b l n =-+=⎰⎰(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ )故 ∑∞==122sin 2sin14)(n l x n n nl x f πππ, x ∈[0, l ].余弦级数:对f (x )进行偶延拓, 则函数的傅氏系数为2])([2212100l dx x l xdx l a l =-+=⎰⎰,⎰⎰-+=l n dx l x n x l dx l x n x l a 21210]cos )(cos [2ππ])1(12cos2[222n n n l ---=ππ(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ )b n =0(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ ),故 lx n n n l l x f n n πππcos ])1(12cos2[124)(122∑∞=---+=, x ∈[0, l ].(2)f (x )=x 2(0≤x ≤2).解正弦级数:对f (x )进行奇延拓, 则函数的傅氏系数为 a 0=0(n =0, 1, 2, ⋅ ⋅ ⋅),]1)1[()(168)1(2sin2231202--+-==+⎰n n n n n dx x n x b πππ,故 2sin }]1)1[()(168)1{()(131x n n n x f n n n πππ∑∞=+--+-=2sin}]1)1[(2)1({811x n n n n n n ππ∑∞=+--+-=, x ∈[0, 2).余弦级数:对f (x )进行偶延拓, 则函数的傅氏系数为38222020==⎰dx x a 2202)(16)1(2cos22ππn dx x n x a n n -==⎰(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅),b n =0(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅),故 2cos)(16)1(34)(12x n n x f n n ππ∑∞=-+=2cos)1(1634122x n n n n ππ∑∞=-+=, x ∈[0, 2].总习题十一 1. 填空: (1)对级数∑∞=1n n u , 0lim =∞→n n u 是它收敛的________条件, 不是它收敛的________条件; 解必要; 充分.(2)部分和数列{s n }有界是正项级数∑∞=1n n u 收敛的________条件; 解充分必要. (3)若级数∑∞=1n n u 绝对收敛, 则级数∑∞=1n n u 必定________; 若级数∑∞=1n n u 条件收敛, 则级数∑∞=1||n n u 必定________. 解收敛; 发散.2. 判定下列级数的收敛性: (1)∑∞=11n n nn ; 解因为11lim 11lim==∞→∞→n n n n nn n n ,而调和级数∑∞=11n n发散, 故由比较审敛法知, 级数发散. (2)∑∞=1222)!(n nn ;解因为∞==⋅++=∞→∞→+∞→222221lim )!(2)1(2])!1[(lim lim n n n n n u u n n n n n , 故由比值审敛法知, 级数发散.(3) ∑∞=1223cos n n n n π; 解因为n n n n n 223cos 2<π, 12121lim 2lim <==∞→∞→n n n n n n n 所以由根值审敛法, 级数∑∞=12n n 收敛; 由比较审敛法, 级数∑∞=1223cos n nn n π收敛. (4)∑∞=110ln 1n n;解因为∞==∞→∞→nn n u n n n 10ln lim 1lim , 而调和级数∑∞=11n n 发散, 故由比较审敛法知, 原级数发散. 提示: ∞===⋅⋅⋅==⋅=∞→∞→∞→∞→∞→xx x xx x x x x x x x x x 11lim !101ln lim !101 ln lim 1011ln 101lim ln lim 9910 (5)∑∞=1n s n na (a >0, s >0). 解因为 a n a n a sn n ns n n ==∞→∞→)(lim lim , 故由根值审敛法知, 当a <1时级数收敛, 当a >1时级数发散. 当a =1时, 原级数成为∑∞=11n s n, 这是p =s 的p -级数, 当s >1时级数收敛, 当s ≤1时级数发散. 3. 设正项级数∑∞=1n n u 和∑∞=1n n v 都收敛, 证明级数∑∞=+12)(n n n v u 与收敛. 证明因为∑∞=1n n u 和∑∞=1n n v 都收敛, 所以0lim =∞→n n u , 0lim =∞→n n v . 又因为0)2(lim 2lim 2=+=+∞→∞→n n n nn n n n v u u v u u , 0lim lim 2==∞→∞→n n n nn v v v ,所以级数∑∞=+12)2(n n n n v u u 和级数∑∞=12n n v 都收敛, 从而级数∑∑∞=∞=+=++12122)(])2[(n n n n n n n n v u v v u u也是收敛的.4. 设级数∑∞=1n n u 收敛, 且1lim =∞→nnn u v , 问级数∑∞=1n n v 是否也收敛？试说明理由. 解级数∑∞=1n n v 不一定收敛. 当∑∞=1n n u 和∑∞=1n n v 均为正项级数时, 级数∑∞=1n n v 收敛, 否则未必. 例如级数∑∞=-11)1(n n 收敛, 但级数∑∞=+-1]11)1[(n n n 发散, 并且有11)1(11)1(lim=-+-∞→nn n n . 5. 讨论下列级数的绝对收敛性与条件收敛性: (1)∑∞=-11)1(n p n n ; 解 ∑∑∞=∞==-111|1)1(|n p n p nnn 是p 级数. 故当p >1时级数∑∞=11n p n 是收敛的, 当p ≤1时级数∑∞=11n p n 发散. 因此当p >1时级数∑∞=-11)1(n p n n 绝对收敛. 当0<p ≤1时, 级数∑∞=-11)1(n p n n 是交错级数, 且满足莱布尼茨定理的条件, 因而收敛, 这时是条件收敛的.当p ≤0时, 由于01)1(lim ≠-∞→p nn n , 所以级数∑∞=-11)1(n p n n 发散.综上所述, 级数∑∞=-11)1(n p n n 当p >1时绝对收敛, 当0<p ≤1时条件收敛, 当p ≤0时发散.(2)∑∞=+++-1111sin )1(n n n n ππ; 解因为1111|1s i n )1(|+++≤+-n n n n πππ, 而级数∑∞=+111n n π收敛, 故由比较审敛法知级数|1sin )1(|111∑∞=+++-n n n n ππ收敛, 从而原级数绝对收敛.(3)∑∞=+-11ln )1(n n n n ; 解因为1ln )11ln(lim 1ln lim 1|1ln )1(|lim ==+=+=+-∞→∞→∞→e n n n n n n n n n n n n , 而级数∑∞=11n n发散, 故由比较审敛法知级数|1ln)1(|1∑∞=+-n n n n 发散, 即原级数不是绝对收敛的.另一方面, 级数∑∞=+-11ln )1(n nn n 是交错级数, 且满足莱布尼茨定理的条件, 所以该级数收敛, 从而原级数条件收敛.(4)∑∞=++-11)!1()1(n n n nn . 解令1)!1()1(++-=n n n n n u . 因为11)11(112lim )1(12lim)!1()1()!2(lim ||||lim 121<=+⋅++=+⋅++=+⋅++∞→∞→++∞→+∞→e nn n n n n n n n n n u u n n n n n n n n n n ,故由比值审敛法知级数|)!1()1(|11∑∞=++-n n n n n 收敛, 从而原级数绝对收敛.6. 求下列级限:(1)∑=∞→+nk k k n k n 12)11(311lim ;解显然∑=+=nk k k n k s 12)11(31是级数∑∞=+12)11(31n n n n 的前n 项部分和.因为13)11(31lim )11(31lim 2<=+=+∞→∞→e n n n n nn n n , 所以由根值审敛法, 级数∑∞=+12)11(31n n n n 收敛, 从而部分和数列{s n }收敛.因此01lim )11(311lim 12=⋅=+∞→=∞→∑n n nk k k n s n k n .(2)])2( 842[lim 312719131n n ⋅⋅⋅⋅⋅∞→.解n n nn3 27392313127191312)2( 842+⋅⋅⋅+++=⋅⋅⋅⋅⋅.显然n n n s 3 2739231+⋅⋅⋅+++=是级数∑∞=13n n n 的前n 项部分和.设∑∞=-=11)(n n nx x S , 则210)1(1]111[][])([)(x x x dx x S x S n n x-='--='='=∑⎰∞=. 因为43)311(131)31(31)31(3132111=-⋅===∑∑∞=-∞=S n n n n n n , 所以43lim =∞→n n s , 从而4331271913122lim ])2( 842[lim ==⋅⋅⋅⋅⋅∞→∞→n n s n nn .7. 求下列幂级数的收敛域:(1)∑∞=+153n n n n x n ; 解 51)53(5)53(31lim 53153lim ||lim 111=++⋅+=+⋅++=∞→++∞→+∞→n n n n n n n n n n n n n n n a a , 所以收敛半径为51=R . 因为当51=x 时, 幂级数成为]1)53[(11+∑∞=n n n , 是发散的;当51-=x 时, 幂级数成为]1)53[()1(1+-∑∞=n n n n , 是收敛的, 所以幂级数的收敛域为)51 ,51[-. (2)∑∞=+12)11(n n n x n ;解 n n n x n u 2)11(+=, 因为||||)11(lim ||lim x e x nu n n n n n =+=∞→∞→, 由根值审敛法, 当e |x |<1, 即ex e 11<<-时, 幂级数收敛; 当e |x |>1, 时幂级数发散. 当e x 1-=时, 幂级数成为∑∞=+1)1()11(2n n n e n ; 当e x 1=时, 幂级数成为∑∞=+-1)1()11()1(2n n n n e n .因为21)1ln(lim 11)11ln(lim ])11ln([lim 2022-=-+=-+=-++→+∞→+∞→t t t x x x x x x t x x , 所以 0lim )1()11(lim 21)11ln(22≠==+--+∞→∞→e ee n n n n n n n n , 因此级数∑∞=+-1)1()11()1(2n n n n e n 和∑∞=+1)1()11(2n n n e n 均发散, 从而收敛域为)1 ,1(e e -. (3)∑∞=+1)1(n n x n ; 解u n =n (x +1)n . 因为 |1||1|1lim ||lim 1+=++=∞→+∞→x x nn u u n n n n , 根据比值审敛法, 当|x +1|<1, 即-2<x <0时, 幂级数收敛; 当|x +1|>1时, 幂级数发散.又当x =0时, 幂级数成为∑∞=1n n , 是发散的; 当x =-2时, 幂级数成为∑∞=-1)1(n n n , 也是发散的, 所以幂级数的收敛域为(-2, 0). (4)∑∞=122n n n x n .解 n n n x n u 22=. 因为 221121221lim ||lim x x n n u u n n n n n n =⋅⋅+=+∞→+∞→, 根据比值审敛法, 当1212<x , 即22<<-x 时, 幂级数收敛; 当1212>x 时, 幂级数发散. 又当2±=x 时, 幂级数成为∑∞=1n n , 是发散的, 所以收敛域为)2 ,2(-.8. 求下列幂级数的和函数: (1)∑∞=--1)1(2212n n n x n ;解设幂级数的和函数为S (x ), 则])2(2[]21[])([)(1121120'='='=∑∑⎰∞=-∞=-n n n n xx x x dx x S x S)12( )2(2]2112[22222<-+='-⋅=x x x x x , 即 )22( )2(2)(222<<--+=x x x x S . (2)∑∞=----112112)1(n n n xn ; 解设幂级数的和函数为S (x ), 则 )1( arctan 11)1()()(20212210<=+=-='=⎰⎰∑⎰∞=--x x dx x xdx x S x S xx n n n x.因为当x =±1时, 幂级数收敛, 所以有 S (x )=arctan x (-1≤x ≤1). (3)∑∞=-1)1(n n x n ; 解设幂级数的和函数为S (x ), 则 ])1()[1()1()1()1()(1111'--=--=-=∑∑∑∞=∞=-∞=n n n n n nx x x n x x n x S)1|1(| )2(1])1(11)[1(])1()1)[(1(211<---='----='---=∑∞=-x x x x x x x x x n n , 即 )20( )2(1)(2<<--=x x x x S .(4)∑∞=+1)1(n n n n x . 解易知幂级数的收敛域为[-1, 1].设幂级数的和函数为S (x ), 则当x ≠0时∑∑∞=+∞=+=+=111)1(11)1(1)(n n n n x n n x x n n x Sdx dx x x dx x n x x x n n x n n ][111001101⎰⎰∑⎰∑∞=-∞===dx x x dx dx x x x x x ⎰⎰⎰--=-=000)1ln(1]11[1 )]1ln()1ln([1x x x x x-----= )1ln(11x xx --+=, x ∈[-1, 0)⋃(0, 1], 又显然S (0)=0, 因此⎪⎩⎪⎨⎧=⋃-∈--+=0 0]1 ,0()0 ,1[ )1ln(11)(x x x xx x S .9. 求下列数项级数的和: (1)∑∞=12!n n n ; 解 ∑∑∑∑∞=∞=∞=∞=+-=+-=11112!!)1(!)1(!n n n n n n n n n n n n n n n .因为n n xx n e ∑∞==1!1, 两边求导得11!-∞=∑=n n x x n n e , 再求导得22!)1(-∞=∑-=n n x x n n n e , 因此x x n n n n n n n n n n e e x x n n x n n n x x n n x n n n x n n +=+-=+-=∑∑∑∑∑∞=∞=-∞=∞=∞=221221112!!)1(!!)1(!,从而 e S n n n 2)1(!12==∑∞=. (2)∑∞=++-0)!12(1)1(n n n n . 解 ∑∑∑∞=∞=∞=+-+++-=++-000)!12(1)1(21)!12(12)1(21)!12(1)1(n n n n n nn n n n n 1sin 211cos 21)!12(1)1(21)!2(1)1(2100+=+-+-=∑∑∞=∞=n n n n n n . 提示: ∑∞=++-=012)!12(1)1(sin n n nx n x , ∑∞=++-=02)!12(12)1(cos n n n x n n x .10. 将下列函数展开成x 的幂级数: (1))1ln(2++x x ;解 ⎰⎰+='++=++xxdx x dx x x x x 0202211])1[ln()1ln(, 因为 ∑∞=---+=+=+122122!)!2(!)!12()1(1)1(11n n x n n x x , |x |≤1,故 ∑∞=++--+=++1122)12(!)!2(!)!12()1()1ln(n n n x n n n x x x (-1≤x ≤1).(2)2)2(1x -.解 ∑∞='='-='-=-02])2([21)211(21)21()2(1n n x x x x ∑∑∞=-+∞=+='=111012]21[n n n n n n x n x (-2≤x ≤2). 11. 设f (x )是周期为2π的函数, 它在[-π, π)上的表达式为 ⎩⎨⎧∈-∈=) ,0[ )0 ,[ 0)(ππx e x x f x. 将f (x )展开成傅里叶级数. 解 πππππππ11)(10-===⎰⎰-e dx e dx x f a x ,n n xn a n e nxdx e nxdx x f a 201)1(cos 1cos )(1---===⎰⎰-πππππππ, 即 ππ)1(1)1(2+--=n e a n n (n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ ), ⎰⎰==-πππππ0sin 1sin )(1nxdx e nxdx x f b x nn x na nxdx e n -=-=⎰ππ0cos 1)((n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ ).因此 ∑∞=-+--+-=12)sin (cos )1(1)1(21)(n n x n nx n e e x f ππππ (-∞<x <+∞且x ≠n π, n =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅).12. 将函数 ⎩⎨⎧≤<≤≤=πx h h x x f 00 1)( 分别展开成正弦级数和余弦级数.解若将函数进行奇延拓, 则傅里叶系数为 a n =0(n =0, 1, 2, ⋅ ⋅ ⋅), ππππn nh nxdx nxdx x f b h n )cos 1(2sin 2sin )(200-===⎰⎰. 因此, 函数展开成正弦级数为∑∞=-=1sin cos 12)(n nx nnh x f π, x ∈(0, h )⋃(h , π),当x =h 时, 21)(=h f . 若将函数进行偶延拓, 则傅里叶系数为ππππh dx dx x f a h 22)(2000===⎰⎰, ππππn nh nxdx nxdx x f a hn sin 2cos 2cos )(200===⎰⎰(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅), b n =0(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅),.因此, 函数展开成余弦级数为∑∞=+=1cos sin 2)(n nx nnh h x f ππ, x ∈[0, h )⋃(h , π), 当x =h 时, 21)(=h f .总习题十二1. 填空:(1)xy '''+2x 2y '2+x 3y =x 4+1是______阶微分方程;解是3阶微分方程.(2)若M (x , y )dx +N (x , y )dy =0是全微分方程, 则函数M 、N 应满足______;解 xN y M ∂∂=∂∂. (3)与积分方程⎰=xx dx y x f y 0),(等价的微分方程初值问题是______; 解方程两边对x 求导得y '=f (x , y ). 显然当x =x 0时, y =0.因此与积分方程等价的微分方程初值问题是y '=f (x , y ), 0|0==x x y .(4)已知y =1、y =x 、y =x 2是某二阶非齐次线性微分方程的三个解, 则该方程的通解为______.解容易证明非齐次线性微分方程的任意两个解的差是对应齐次线性微分方程的的解. 因此y 1=x -1和y 2=x 2-1都是对应齐次线性微分方程的的解. 显然y 1与y 2是线性无关. 所以非齐次线性微分方程的通解为y =C 1(x -1)+C 2(x 2-1)+1.2. 求以下列各式所表示的函数为通解的微分方程:(1)(x +C )2+y 2=1(其中C 为任意常数);解将等式变形21y C x -±=+,两边对x 求导得211yy y -'±=, 从而1-y 2=y 2y '2, 即所求微分方程为y 2(1+y '2)=1.(2)y =C 1e x +C 2e 2x (其中C 1、C 2为任意常数).解两边对x 求导得y '=C 1e x +2C 2e 2x =y +C 2e 2x ,即 y '=y +C 2e 2x ,⋅ ⋅ ⋅(1)再求导得y ''=y '+2C 2e 2x . ⋅ ⋅ ⋅(2)(2)-(1)⨯2得y ''-2y '=y '-2y ,即所求微分方程为y ''-3y '+2y =0.3. 求下列微分方程的通解:(1)xy y y x 2=+';解将方程变形为xy x y y 1212=+', 即x y x y 121)(=+'. 其通解为)(1)1(2121C x xC dx e x e y dx x dx x +=+⎰⎰=⎰-, 即原方程的通解为xC x y 2)(+=. (2) xy 'ln x +y =ax (ln x +1);解将方程变形为)ln 11(ln 1xa y x x y +=+', 其通解为)ln (ln 1])ln 11([ln 1ln 1C x ax x C dx e x a e y dx x x dx x x +=+⎰+⎰=⎰-, 即原方程的通解为xC ax y ln +=. (3))(ln 2x y y dx dy -=; 解将方程变形为yy x y dy dx ln 22=+, 其通解为)21ln (1)ln 2(22222C y y y y C dy e y y e x dy y dy y +-=+⎰⎰=⎰-, 即原方程的通解为221ln yCy x +-=. (4)033=-+y x xy dxdy ; 解将方程变形为 3231x xy dxdy y =+-, 即32222)(x xy dx y d -=---, 其通解为)())2([22222322C e e x e C dx e x e y x x x xdx xdx ++=+⎰-⎰=----⎰,即原方程的通解为1222++=-x Ce y x .(5)022=+-++yx xdy ydx ydy xdx ; 解因为)2(22y x d y d y x d x +=+, 2222)(11y x d y y d x yx y x x d y y d x -⋅+=+- )(a r c t a n )()(112y x d y x d y x =+=,所以原方程可写成0)a r c t a n 22(22=++yx y x d , 从而原方程的通解为C yx y x =++a r c t a n 222.(6) yy ''-y '2-1=0;解令y '=p , 则dy dp py ='', 原方程化为 012=--p dydp yp , 或 yp y dy p d 22)(22=-, 其通解为1)()2(222222-=+-=+⎰⎰=--⎰Cy C y y C dy e y e p dy y dy y . 于是 12-±='Cy y , 即dx y C dy ±=-1)(21(C =C 12), 积分得 2211)1)(l n (C x y C y C +±=-+, 化简得原方程的通解)(ch 121C x C y +±=. (7) y ''+2y '+5y =sin2x ;解齐次方程y ''+2y '+5y =0的特征方程为r 2+2r +5=0,其根为r 1, 2=-1±2i .因为f (x )=sin2x , λ+ωi =2i 不是特征方程的根,所以非齐次方程的特解应设为y *=A cos2x +B sin2x ,代入原方程得(A +2B )cos2x +(B -4A )sin2x =sin2x , 比较系数得174-=A , 171=B , x x y 2sin 1712cos 174*+-=. 因此原方程的通解为x x x C x C e y x 2s i n 1712cos 174)2sin 2cos (21+-+=-. (8) y '''+y ''-2y '=x (e x +4);解齐次方程y '''+y ''-2y '=0的特征方程为r 3+r 2-2r =0,其根为r 1=0, r 2=1, r 3=2.齐次方程y '''+y ''-2y '=0的通解为y =C 1+C 2e x +C 3e -2x .原方程中f (x )=f 1(x )+f 2(x ), 其中f 1(x )=xe x , f 2(x )=4x .对于方程y '''+y ''-2y '=xe x , 因为λ=1是特征方程的根, 故其特解可设为 y 1*=x (Ax +B )e x ,代入y '''+y ''-2y '=xe x 得(6Ax +8A +3b )e x =xe x , 比较系数得61=A , 94-=B , 故x e x x y )9461(*1-=. 对于方程y '''+y ''-2y '=4x , 因为λ=0是特征方程的根, 故其特解可设为 y 2*=x (Cx +D ),代入y '''+y ''-2y '=4x 得-4Cx +2C -2D =4x ,比较系数得C =-1, D =-1, 故y 2*=x (-x -1).因此原方程的通解为x x e x x e C e C C y x x x ---+++=-222321)9461(.(9) (y 4-3x 2)dy +xydx =0;解将原方程变形为323y x y dy dx x -=-, 或32226)(y x ydy x d -=-, 其通解为)(])2([266362C y y C dy e y e x dy y dy y +=+⎰-⎰=--⎰, 即原方程的通解为x 2=y 4+Cy 6.(10)y x x y +=+'2.解令y x u +=2, 则y =u 2-x 2, x dxdu u dx dy 22-=, 故原方程化为u x dx du u =-2, 即21)(21+=u x dx du . 这是齐次方程, 因此令z xu =, 则u =xz , dx dz x z dx du +=, 则上述齐次方程化为 2121+=+z dx dz x z , 即)112(21---=zz dx dz x , 分离变量得x dx z z zdz 21122-=--, 积分得 123ln 21)132ln(61C x z z +-=+-, 即 2z 3-3z 2+1=Cx -3)(16C e C =. 将xu z =代入上式得 2u 3-3xu 2+x 3=C , 再代入y x u +=2, 得原方程的通解C xy x y x =--+32)(2332.4. 求下列微分方程满足所给初始条件的特解:(1) y 3dx +2(x 2-xy 2)dy =0, x =1时y =1;解原方程变形为2322x yx y dy dx -=-, 即 31222yx y dy dx x -=---, 或 31122)(yx y dy x d =+--, 其通解为)ln 2(1)2(22321C y y C dy e y e x dy +=+⎰⎰=⎰--, 即原方程的通解为y 2=x (2ln y +C ).由y |x =1=1, 得C =1. 故满足所给初始条件的特解为y 2=x (2ln y +1).(2) y ''-ay '2=0, x =0时y =0, y '=-1;解令y '=p , 则原方程化为02=-ap dxdp .分离变量得a d x p dp =2, 两边积分得11C ax p +=-, 即11C ax y +-='. 代入初始条件y '(0)=-1得C 1=1,故 11+-='ax y . 方程两边积分得2)1l n (1C ax ay ++-=. 代入初始条件y (0)=0得C 2=0.因此满足所给初始条件的特解为)1ln(1+-=ax ay .(3) 2y ''-sin2y =0, x =0时2π=y , y '=1; 解令y '=p , 则原方程化为02s i n 2=-y dydp p . 分离变量得2pdp =sin2ydy ,两边积分得122c o s 21C y p +-=. 代入初始条件y '(0)=1得211=C , 因而 y y y 22s i n 212c o s 21=+-=', 即 y '=sin y .分离变量得dx ydy =sin , 两边积分得2c o s 1c o s 1ln 21C x yy +=+-.代入初始条件2)0(π=y 得C 2=0. 因此满足所给初始条件的特解为yy x cos 1cos 1ln 21+-=. (4) y ''+2y '+y =cos x , x =0时y =0, 23='y . 解齐次方程y ''+2y '+y =0的特征方程为r 2+2r +1=0,其根为r 1, 2=-1.齐次方程y ''+2y '+y =0的通解为y =(C 1+C 2x )e -x .因为f (x )=cos x , λ+ωi =i 不是特征方程的根, 所以非齐次方程的特解应设为 y *=A cos x +B sin x ,代入原方程得-2A sin x +2B cos x =cos x ,比较系数得A =0, 21=B . 故x y sin 21*=. 从而原方程的通解为 x e x C C y x s i n 21)(21++=- . 将初始条件代入通解得⎪⎩⎪⎨⎧=++-=23210211C C C , 解之得C 1=0, C 2=1.因此满足所给初始条件的特解为x xe y x sin 21+=-. 5. 已知某曲线经过点(1, 1), 它的切线在纵轴上的截距等于切点的横坐标, 求它的方程.解设点(x , y )为曲线上任一点, 则曲线在该点的切线方程为Y -y =y '(X -x ),其在纵轴上的截距为y -xy ', 因此由已知有y -xy '=x , 即11-=-'y xy . 这是一个一阶线性方程, 其通解为)ln (])1([11C x x C dx e e y dx x dx x +-=+⎰-⎰=⎰-, 即方程的通解为y =x (C -ln x ).由于曲线过点(1, 1), 所以C =1.因此所求曲线的方程为y =x (1-ln x ).6. 已知某车间的容积为30⨯30⨯6m 3, 其中的空气含0.12%的CO 2(以容积计算). 现以含CO 20.04%的新鲜空气输入, 问每分钟应输入多少, 才能在30min 后使车间空气中CO 2的含量不超过0.06%?(假定输入的新鲜空气与原有空气很快混合均匀后, 以相同的流量排出).解设每分钟应输入的空气为a m 3, t 时刻车间中CO 2的浓度为x (t ), 则车间中CO 2的含量(以体积计算)在t 时刻经过dt min 的改变量为30⨯30⨯6 dx =0.0004adt -axdt ,分离变量得dt a dx x 54000004.01-=-, 由于x >0.0004, 故两边积分得C t a x ln 5400)0004.0ln(+-=-, 即 t a Ce x 54000004.0-+=.由于开始时车间中的空气含0.12%的CO 2, 即当t =0时, x =0.0012, 代入上式得C =0. 0008. 因此t a e x 54000008.00004.0-+=.由上式得0008.0004.0ln 5400--=x t a . 由于要求30min 后车间中CO 2的含量不超过0.06%, 即当t =30时, x ≤0.0006, 将t =30, x =0. 0006代入上式得a =180ln 4≈250.因为054000008.05400<-='-t ae x , 所以x 是a 的减函数, 考试当a ≥250时可保证x ≤0.0006.因此每分钟输入新鲜空气的量不得小于250m 3.7. 设可导函数ϕ(x )满足1s i n )(2c o s )(0+=+⎰x t d t t x x xϕϕ, 求ϕ(x ).解在等式两边对x 求导得ϕ'(x )cos x -ϕ(x )sin x +2ϕ(x )sin x =1,即 ϕ'(x )+tan x ϕ(x )=sec x .这是一个一阶线性方程, 其通解为)s e c ()(t a n t a n C dx xe e x xdx xdx +⎰⎰=⎰-ϕ=cos x (tan x +C )=sin x +C cos x .在已知等式中, 令x =0得ϕ(0)=1, 代入通解得C =1. 故ϕ(x )=sin x +cos x . 8. 设函数u =f (r ), 222z y x r ++=在r >0内满足拉普拉斯(Laplace)方程0222222=∂∂+∂∂+∂∂z u y u x u , 其中f (r )二阶可导, 且f (1)=f '(1)=1. 试将拉普拉斯方程化为以r 为自变量的常微分方程, 并求f (r ).解因为rx z y x x x r =++=∂∂22222, 所以 )()(r f rx x r r f x u '=∂∂'=∂∂, )()()()(22322222r f r x r f r x r x r r f r x r f r x r x r x u '+'-=∂∂'+'∂∂-=∂∂. 同理可得)()(2232222r f ry r f r y r y u '+'-=∂∂, )()(2232222r f r z r f r z r z u '+'-=∂∂. 于是 )()(3222232222222222r f rz y x r f r z y x r z u y u x u '+++'---=∂∂+∂∂+∂∂ 22322)()(2dr u d dr du r r f r f rr+='+'=. 因此拉普拉斯方程化为0222=+dr u d dr du r , 即0222=+drdu r dr u d . 令)(r p drdu =, 则以上方程进一步变成 02=+dr dp p r , 即02=+p rdr dp , 其通解为2121rC e C p dr r =⎰=-, 即21r C dr du =. 由于f '(1)=1, 即r =1时1=drdu , 所以C 1=1, 21r dr du =. 在方程21r dr du =的两边积分得21C ru +-=. 又由于f (1)=1, 即r =1时u =1, 所以C 2=2, 从而21+-=r u , 即21)(+-=rr f .9. 设y 1(x )、y 2(x )是二阶齐次线性方程y ''+p (x )y '+q (x )y =0的两个解, 令)()()()()()()()()(21212121x y x y x y x y x y x y x y x y x W '-'=''=, 证明:(1)W (x )满足方程W '+p (x )W =0; 证明因为y 1(x )、y 2(x )都是方程y ''+p (x )y '+q (x )y =0的解, 所以 y 1''+p (x )y 1'+q (x )y 1=0, y 2''+p (x )y 2'+q (x )y 2=0, 从而 W '+p (x )W =(y 1'y 2'+ y 1y 2''- y 1''y 2- y 1'y 2')+p (x )( y 1y 2'- y 1'y 2) =y 1[y 2''+p (x )y 2']- y 2[y 1''+p (x )y 1'] =y 1[-q (x )y 2]- y 2[-q (x )y 1] =0,即W (x )满足方程W '+p (x )W =0.(2)⎰=-x x dt t p e x W x W 0)(0)()(. 证明已知W (x )满足方程 W '+p (x )W =0,分离变量得dx x p WdW )(-=. 将上式两边在[x 0, x ]上积分, 得 ⎰-=-x x dt t p x W x W 0)()(ln )(ln 0, 即 ⎰=-x x dt t p ex W x W 0)(0)()(.。

同济大学高等数学第六版第五章课后习题答案(包括5.1,5.2,5.3,5.4,总习题五)

习题5-11. 利用定积分定义计算由抛物线y =x 2+1, 两直线x =a 、x =b (b >a )及横轴所围成的图形的面积.解第一步: 在区间[a , b ]内插入n -1个分点i n a b a x i -+=(i =1,2, ⋅⋅⋅, n -1), 把区间[a , b ]分成n 个长度相等的小区间, 各个小区间的长度为: na b x i -=∆(i =1, 2, ⋅⋅⋅, n ).第二步: 在第i 个小区间[x i -1, x i ] (i =1, 2, ⋅⋅⋅, n )上取右端点i n a b a x i i -+==ξ, 作和n a b i n a b a x f S ni i i n i n -⋅+-+=∆=∑∑==]1)[()(211ξ∑=+-+-+-=ni i na b i n a b a a n a b 12222]1)()(2[ ]6)12)(1()(2)1()(2[)(222n n n n n a b n n n a b a na n a b +++⋅-++⋅-+-= ]16)12)(1()()1)(()[(222+++-++-+-=nn n a b n n a b a a a b . 第三步: 令λ=max{∆x 1, ∆x 2, ⋅⋅⋅, ∆x n }na b -=, 取极限得所求面积∑⎰=→∆==ni i i ba x f dx x f S 1)(lim )(ξλ]16)12)(1()()1)(()[(lim 222+++-++-+-=∞→nn n a b n n a b a a a b n a b a b a b a b a a a b -+-=+-+-+-=)(31]1)(31)()[(3322.2. 利用定积分定义计算下列积分:(1)xdx ba⎰(a <b );解取分点为i na b a x i -+=(i =1, 2, ⋅⋅⋅, n -1), 则n a b x i -=∆(i =1, 2,⋅⋅⋅, n ). 在第i 个小区间上取右端点i na b a x i i -+==ξ(i =1, 2, ⋅⋅⋅, n ). 于是∑∑⎰=∞→=∞→-⋅-+=∆=ni n n i i i n ba n ab i n a b a x xdx 11)(lim lim ξ )(21]2)1()()([lim )(22222a b n n n a b a b a a b n -=+-+--=∞→. (2)dx e x ⎰10.解取分点为n i x i =(i =1, 2, ⋅⋅⋅, n -1), 则nx i 1=∆(i =1, 2, ⋅⋅⋅, n ). 在第i 个小区间上取右端点ni x i i ==ξ(i =1, 2, ⋅⋅⋅, n ). 于是) (1lim 1lim 21110n n n n n n i n i n xe e e n n e dx e +⋅⋅⋅++==∞→=∞→∑⎰1)1(]1[lim1])(1[1lim 11111-=--=--⋅=∞→∞→e e n e e ee e nnnn nnn n n .3. 利用定积分的几何意义, 说明下列等式: (1)1210=⎰xdx ;解⎰12xdx 表示由直线y =2x 、x 轴及直线x =1所围成的面积,显然面积为1. (2)41102π=-⎰dx x ;解⎰-121dx x 表示由曲线21x y -=、x 轴及y 轴所围成的四分之一圆的面积, 即圆x 2+y 2=1的面积的41:414112102ππ=⋅⋅=-⎰dx x .(3)⎰-=ππ0sin xdx ;解由于y =sin x 为奇函数, 在关于原点的对称区间[-π, π]上与x 轴所夹的面积的代数和为零, 即⎰-=ππ0sin xdx .(4)⎰⎰=-2022cos 2cos πππxdx xdx .解⎰-22cos ππxdx 表示由曲线y =cos x 与x 轴上]2,2[ππ-一段所围成的图形的面积. 因为cos x 为偶函数, 所以此图形关于y 轴对称. 因此图形面积的一半为⎰20cos πxdx , 即⎰⎰=-2022cos 2cos πππxdx xdx .4. 水利工程中要计算拦水闸门所受的水压力, 已知闸门上水的压强p (单位面积上的压力大小)是水深h 的函数, 且有p =9⋅8h (kN/m 2). 若闸门高H =3m , 宽L =2m , 求水面与闸门顶相齐时闸门所受的水压力P .解建立坐标系如图. 用分点i nH x i =(i =1, 2, ⋅⋅⋅, n -1)将区间[0,H ]分为n 分个小区间, 各小区间的长为n H x i =∆(i =1, 2, ⋅⋅⋅, n ).在第i 个小区间[x i -1, x i ]上, 闸门相应部分所受的水压力近似为∆P i =9.8x i L ⋅∆x i . 闸门所受的水压力为∑∑=∞→=∞→⋅=∆⋅⋅=ni n ni i i n n H i n H L x L x P 11lim 8.98.9lim 228.42)1(lim 8.9H L nn n H L n ⋅=+⋅=∞→.将L =2, H =3代入上式得P =88.2(千牛). 5. 证明定积分性质: (1)⎰⎰=babadx x f k dx x kf )()(;证明∑⎰=→∆=n i iibax kf dx x kf 1)(lim )(ξλ⎰∑=∆==→bani iidx x f k x f k )()(lim 1ξλ.(2)a b dx dx baba-==⋅⎰⎰1.证明a b a b x x dx ni in i iba-=-=∆=∆⋅=⋅→=→=→∑∑⎰)(lim lim 1lim 1011λλλ. 6. 估计下列各积分的值: (1)⎰+412)1(dx x ;解因为当1≤x ≤4时, 2≤x 2+1≤17, 所以 )14(17)1()14(2412-⋅≤+≤-⋅⎰dx x ,即 51)1(6412≤+≤⎰dx x .(2)⎰+ππ4542)sin 1(dx x ;解因为当ππ454≤≤x 时, 1≤1+sin 2x ≤2, 所以)445(2)sin 1()445(14542ππππππ-⋅≤+≤-⋅⎰dx x , 即 ππππ2)sin 1(4542≤+≤⎰dx x .(3)⎰331arctan xdx x ;解先求函数f (x )=x arctan x 在区间]3 ,31[上的最大值M 与最小值m .21arctan )(x x x x f ++='. 因为当331≤≤x 时, f '(x )>0, 所以函数f (x )=x arctan x 在区间]3 ,31[上单调增加. 于是3631arctan 31)31(π===f m ,33arctan 3)3(π===f M .因此 )313(3arctan )313(36331-≤≤-⎰ππxdx x ,即 32arctan 9331ππ≤≤⎰xdx x .(4)⎰-022dx e xx.解先求函数xxe xf -=2)(在区间[0, 2]上的最大值M 与最小值m . )12()(2-='-x e x f xx, 驻点为21=x .比较f (0)=1, f (2)=e 2, 41)21(-=e f , 得41-=e m , M =e 2. 于是)02()02(22412-⋅≤≤-⎰--e dx e e xx,即 41022222---≤≤-⎰e dx dx ee xx .7. 设f (x )及g (x )在[a , b ]上连续, 证明:(1)若在[a , b ]上, f (x )≥0, 且0)(=⎰ba dx x f , 则在[a ,b ]上f (x )≡0;证明假如0/)(≡x f , 则必有f (x )>0. 根据f (x )在[a , b ]上的连续性, 在[a , b ]上存在一点x 0, 使f (x 0)>0, 且f (x 0)为f (x )在[a , b ]上的最大值.再由连续性, 存在[c , d ]⊂[a , b ], 且x 0∈[c , d ], 使当x ∈[c , d ]时,2)()(0x f x f >. 于是⎰⎰⎰⎰++=bdd cc abadx x f dx x f dx x f dx x f )()()()(0)(2)()(0>-≥≥⎰c d x f dx x f dc. 这与条件0)(=⎰badx x f 相矛盾. 因此在[a , b ]上f (x )≡0.(2)若在[a , b ]上, f (x )≥0, 且0/)(≡x f , 则0)(>⎰badx x f ;证明证法一因为f (x )在[a , b ]上连续, 所以在[a , b ]上存在一点x 0, 使f (x 0)>0, 且f (x 0)为f (x )在[a , b ]上的最大值.再由连续性, 存在[c , d ]⊂[a , b ], 且x 0∈[c , d ], 使当x ∈[c , d ]时,2)()(0x f x f >. 于是 ⎰⎰>-≥≥b a d c c d x f dx x f dx x f 0)(2)()()(0.证法二因为f (x )≥0, 所以0)(≥⎰badx x f . 假如0)(>⎰badx x f 不成立. 则只有0)(=⎰badx x f ,根据结论(1), f (x )≡0, 矛盾. 因此0)(>⎰badx x f .(3)若在[a , b ]上, f (x )≤g (x ), 且⎰⎰=bab adx x g dx x f )()(, 则在[a , b ]上f (x )≡g (x ).证明令F (x )=g (x )-f (x ), 则在[a , b ]上F (x )≥0且0)()()]()([)(=-=-=⎰⎰⎰⎰bab ab ab adx x f dx x g dx x f x g dx x F ,由结论(1), 在[a , b ]上F (x )≡0, 即f (x )≡g (x ).4. 根据定积分的性质及第7题的结论, 说明下列积分哪一个的值较大:(1)⎰12dx x 还是⎰13dx x ？解因为当0≤x ≤1时, x 2≥x 3, 所以⎰⎰≥13102dx x dx x .又当0<x <1时, x 2>x 3, 所以⎰⎰>13102dx x dx x .(2)⎰212dx x 还是⎰213dx x ？解因为当1≤x ≤2时, x 2≤x 3, 所以⎰⎰≤213212dx x dx x .又因为当1<x ≤2时, x 2<x 3, 所以⎰⎰<213212dx x dx x .(3)⎰21ln xdx 还是⎰212)(ln dx x ？解因为当1≤x ≤2时, 0≤ln x <1, ln x ≥(ln x )2, 所以⎰⎰≥21221)(ln ln dx x xdx .又因为当1<x ≤2时, 0<ln x <1, ln x >(ln x )2, 所以⎰⎰>21221)(ln ln dx x xdx .(4)⎰1xdx 还是⎰+1)1ln(dx x ？解因为当0≤x ≤1时, x ≥ln(1+x ), 所以⎰⎰+≥11)1ln(dx x xdx .又因为当0<x ≤1时, x >ln(1+x ), 所以⎰⎰+>110)1ln(dx x xdx .(5)⎰10dx e x 还是⎰+1)1(dx x ？解设f (x )=e x -1-x , 则当0≤x ≤1时f '(x ) =e x -1>0, f (x )=e x -1-x 是单调增加的. 因此当0≤x ≤1时, f (x )≥f (0)=0, 即e x ≥1+x , 所以⎰⎰+≥110)1(dx x dx e x .又因为当0<x ≤1时, e x>1+x , 所以⎰⎰+>110)1(dx x dx e x .习题5-21. 试求函数⎰=xtdt y 0sin 当x =0及4π=x 时的导数.解 x tdt dx dy x sin sin 0=='⎰, 当x =0时, y '=sin0=0;当4π=x 时, 224sin =='πy . 2. 求由参数表示式⎰=t udu x 0sin , ⎰=tudu y 0cos 所给定的函数y对x 的导数.解 x '(t )=sin t , y '(t )=cos t , t t x t y dx dy cos )()(=''=.3. 求由⎰⎰=+xyt tdt dt e 00cos 所决定的隐函数y 对x 的导数dxdy. 解方程两对x 求导得 0cos =+'x y e y ,于是 y ex dx dy cos -=. 4. 当x 为何值时, 函数⎰-=xt dt te x I 02)(有极值？解 2)(x xe x I -=', 令I '(x )=0, 得x =0.因为当x <0时, I '(x )<0; 当x >0时, I '(x )>0, 所以x =0是函数I (x )的极小值点. 5. 计算下列各导数: (1)⎰+2021x dtt dxd ;解 dx du dt t du d dt t dx d u ux x ⋅+====+⎰⎰=02021122令421221x x x u +=⋅+=.(2)⎰+32411x x dt tdx d ; 解 ⎰⎰⎰+++=+323204044111111x x x x dt t dx d dt t dx d dt t dx d ⎰⎰+++-=3204041111x x dt t dx d dt t dx d )()(11)()(11343242'⋅++'⋅+-=x x x x 12281312x x x x +++-=. (3)⎰x xdt t dx d cos sin 2)cos(π. 解⎰⎰⎰+-=x x x x dt t dx d dt t dx d dt t dx d cos 02sin 02cos sin 2)cos()cos()cos(πππ))(cos cos cos())(sin sin cos(22'+'-=x x x x ππ )cos cos(sin )sin cos(cos 22x x x x ππ⋅-⋅-= )sin cos(sin )sin cos(cos 22x x x x πππ-⋅-⋅-= )sin cos(sin )sin cos(cos 22x x x x ππ⋅+⋅-= )sin cos()cos (sin 2x x x π-=6. 计算下列各定积分: (1)⎰+-adx x x 02)13(;解a a a x x x dx x x a a+-=+-=+-⎰230230221|)21()13(. (2)⎰+2142)1(dx x x ;解 852)11(31)22(31|)3131()1(333321332142=---=-=+---⎰x x dx x x . (3)⎰+94)1(dx x x ;解 94223942194|)2132()()1(x x dx x x dx x x +=+=+⎰⎰ 6145)421432()921932(223223=+-+=.(4)⎰+33121x dx; 解 66331arctan 3arctan arctan 13313312πππ=-=-==+⎰x x dx . (5)⎰--212121x dx ; 解3)6(6)21arcsin(21arcsin arcsin 1212121212πππ=--=--==---⎰x x dx .(6)⎰+ax a dx3022; 解 aa a axa x a dx a a 30arctan 13arctan 1arctan 1303022π=-==+⎰.(7)⎰-1024x dx ; 解 60arcsin 21arcsin 2arcsin 410102π=-==-⎰x x dx . (8)dx x x x ⎰-+++012241133; 解 013012201224|)arctan ()113(1133---+=++=+++⎰⎰x x dx x x dx x x x 41)1arctan()1(3π+=----=.(9)⎰---+211e x dx;解 1ln 1ln ||1|ln 12121-=-=+=+------⎰e x x dx e e . (10)⎰402tan πθθd ;解4144tan )(tan )1(sec tan 4040242πππθθθθθθπππ-=-=-=-=⎰⎰d d .(11)dx x ⎰π20|sin |;解⎰⎰⎰-=ππππ2020sin sin |sin |xdx xdx dx xπππ20cos cos x x +-==-cos π +cos0+cos2π-cos π=4.(12)⎰2)(dx x f , 其中⎩⎨⎧>≤+=12111)(2x x x x x f .解 38|)61(|)21(21)1()(2131022121020=++=++=⎰⎰⎰x x x dx x dx x dx x f . 7. 设k 为正整数. 试证下列各题: (1)⎰-=ππ0cos kxdx ;证明⎰--=--==ππππππ0)(sin 1sin 1|sin 1cos k kk k kx k kxdx . (2)⎰-=ππ0sin kxdx ;证明 )(cos 1cos 1cos 1sin ππππππ-+-=-=--⎰k kk k x k k kxdx0cos 1cos 1=+-=ππk k k k .(3)⎰-=πππkxdx 2cos ;证明 πππππππ=+=+=---⎰⎰|)2sin 21(21)2cos 1(21cos 2kx kx dx kx kxdx . (4)⎰-=πππkxdx 2sin .证明 πππππππ=-=-=---⎰⎰|)2sin 21(21)2cos 1(21sin 2kx kx dx kx kxdx . 8. 设k 及l 为正整数, 且k ≠l . 试证下列各题: (1)⎰-=ππ0sin cos lxdx kx ;证明 ⎰⎰----+=ππππdx x l k x l k lxdx kx ])sin()[sin(21sin cos0])cos()(21[])cos()(21[=----++-=--ππππx l k l k x l k l k . (2)⎰-=ππ0cos cos lxdx kx ;证明 ⎰⎰---++=ππππdx x l k x l k lxdx kx ])cos()[cos(21cos cos 0])sin()(21[])sin()(21[=--+++=--ππππx l k l k x l k l k . (3)⎰-=ππ0sin sin lxdx kx .证明 ⎰⎰----+-=ππππdx x l k x l k lxdx kx ])cos()[cos(21sin sin . 0])sin()(21[])sin()(21[=--+++-=--ππππx l k l k x l k l k . 9. 求下列极限: (1)xdt t xx ⎰→020cos lim ;解 11cos lim cos lim20020==→→⎰x xdt t x xx .(2)⎰⎰→xt xt x dttedt e 0220022)(lim.解 22222202200)(2lim )(limx xt x t x xt xt x xedt e dt e dtte dt e '⋅=⎰⎰⎰⎰→→222220202lim 2lim x x t x x x x t x xe dte xe edt e ⎰⎰→→=⋅=2212lim 22lim 2020222=+=+=→→xe x e e x x x x x .10. 设⎩⎨⎧∈∈=]2 ,1[]1 ,0[)(2x x x x x f . 求⎰=x dt t f x 0)()(ϕ在[0, 2]上的表达式, 并讨论ϕ(x )在(0, 2)内的连续性.解当0≤x ≤1时, 302031)()(x dt t dt t f x xx ===⎰⎰ϕ;当1<x ≤2时,6121212131)()(2211020-=-+=+==⎰⎰⎰x x tdt dt t dt t f x xxϕ.因此 ⎪⎩⎪⎨⎧≤<-≤≤=21 612110 31)(23x x x x x ϕ.因为31)1(=ϕ, 3131lim )(lim 30101==-→-→x x x x ϕ, 316121)6121(lim )(lim 20101=-=-=+→+→x x x x ϕ, 所以ϕ(x )在x =1处连续, 从而在(0, 2)内连续.11. 设⎩⎨⎧><≤≤=ππx x x x x f 或000sin 21)(. 求⎰=xdt t f x 0)()(ϕ在(-∞, +∞)内的表达式. 解当x <0时,00)()(0===⎰⎰xxdt dt t f x ϕ;当0≤x ≤π时,21cos 21|cos 21sin 21)()(000+-=-===⎰⎰x t tdt dt t f x xxxϕ;当x >π时, πππϕ000|cos 210sin 21)()(t dt tdt dt t f x x x-=+==⎰⎰⎰10cos 21cos 21=+-=π.因此 ⎪⎩⎪⎨⎧≥≤≤-<=ππϕx x x x x 10)cos 1(2100)(.12. 设f (x )在[a , b ]上连续, 在(a , b )内可导且f '(x )≤0,⎰-=x a dt t f ax x F )(1)(. 证明在(a , b )内有F '(x )≤0.证明根据积分中值定理, 存在∈[a , x ], 使))(()(a x f dt t f xa-=⎰ξ.于是有)(1)()(1)(2x f ax dt t f a x x F x a -+--='⎰ ))(()(1)(12a x f a x x f a x ----=ξ )]()([1ξf x f ax --=. 由f '(x )≤0可知f (x )在[a , b ]上是单调减少的, 而a ≤ξ≤x , 所以f (x )-f (ξ)≤0. 又在(a , b )内, x -a >0, 所以在(a , b )内 0)]()([1)(≤--='ξf x f ax x F .习题5-31. 计算下列定积分: (1)⎰+πππ2)3sin(dx x ;解0212132cos 34cos )3cos()3sin(22=-=+-=+-=+⎰ππππππππx dx x . (2)⎰-+123)511(x dx ;解51251110116101)511(2151)511(22122123=⋅+⋅-=+-⋅=+-----⎰x x dx . (3)⎰203cos sin πϕϕϕd ;解⎰⎰-=20323sin cos cos sin ππϕϕϕϕϕd s d410cos 412cos 41cos 4144204=+-=-=πϕπ. (4)⎰-πθθ03)sin 1(d ;解⎰⎰⎰+=-πππθθθθθ0203cos sin )sin 1(d d d⎰-+=ππθθθ020cos )cos 1(d34)cos 31(cos 03-=-+=πθθππ.(5)⎰262cos ππudu ;解 22262622sin 4121)2cos 1(21cos ππππππππu u du u udu +=+=⎰⎰ 836)3sin (sin 41)62(21-=-+-=πππππ.(6)dx x ⎰-2022;解tdt t dx x t x cos 2cos 2 220sin 222⎰⎰⋅======-=π令dt t ⎰+=2)2cos 1(π2)2sin 21(20ππ=+=t t . (7)dy y ⎰--22228;解dy y dy y ⎰⎰---=-2222224228⎰-=⋅=====44sin 2cos 2cos 22ππxdx x x y 令⎰-+=44)2cos 1(22ππdx x)2(2)2sin 21(224+=+=-πππy x . (8)⎰-121221dx x x ; 解⎰⎰⋅=====-=242sin 12122cos sin cos 1ππtdt tt dx x x tx 令 41)cot ()1sin 1(2422πππππ-=--=-=⎰t t dt t. (9)⎰-adx x a x 0222;解⎰⎰⋅⋅=====-=2022sin 0222cos cos sin πtdt a t a t a dx x a x t a x a令⎰=20242sin 4πtdt a 164sin 328)4cos 1(84204204204ππππa t a t a dt t a =-=-=⎰. (10)⎰+31221xx dx ;解⎰⎰⋅⋅=====+=3422tan 3122sec sec tan 11ππtdt t t x x dx tx 令 3322sin 1sin cos 3432-=-==⎰ππππt dt t t .(11)⎰--1145xxdx ; 解 61)315(81)5(81451313324511=--=-======-⎰⎰=--u u du u x xdx u x 令. (12) ⎰+411xdx;解 221112141=⋅+=====+⎰⎰=udu u x dx u x 令 )32ln 1(2)|1|ln (2)111(2121+=+-=+-⎰u u du u .(13)⎰--14311x dx ; 解du u u x dx u x )2(11110211143-⋅-======--⎰⎰=-令 2ln 21)|1|ln (2)111(221021-=-+=-+=⎰u u du u . (14)⎰-a x a xdx 20223; 解 ⎰⎰---=-a a x a d xa x a xdx 2022222022)3(31213 )13(32022-=--=a x a a .(15)dt te t ⎰-1022;解 2110102221021)2(222-----=-=--=⎰⎰e e t d e dt te t tt .(16)⎰+21ln 1e x x dx ; 解 )13(2ln 12ln ln 11ln 1222111-=+=+=+⎰⎰e e e x x d x x x dx . (17)⎰-++02222x x dx ;解 ⎰⎰--++=++022022)1(1122dx x x x dx 2)1arctan(1arctan )1arctan(02π=--=+=-x .(18)⎰-222cos cos ππxdx x ;解 32)sin 32(sin sin )sin 21(2cos cos 2322222=-=-=---⎰⎰ππππππx x x d x xdx x . (19)⎰--223cos cos ππdx x x ;解⎰⎰---=-222223cos 1cos cos cos ππππdx x x dx x x⎰⎰+-=-202sin cos )sin (cos ππxdx x dx x x34cos 32cos 3220230223=-=-ππx x . (20)⎰+π2cos 1dx x .解22cos 2sin 22cos 100=-==+⎰⎰πππx xdx dx x .2. 利用函数的奇偶性计算下列积分: (1)⎰-ππxdx x sin 4;解因为x 4sin x 在区间[-π, π]上是奇函数, 所以0sin 4=⎰-ππxdx x .(2)⎰-224cos 4ππθθd ;解⎰⎰⎰+==-202204224)22cos 1(8cos 42cos 4ππππθθθθθd x d d ⎰++=202)2cos 2cos 21(2πθd x x⎰++=20)4cos 212cos 223(2πθd x x 23)4sin 412sin 23(20πθπ=++=x x . (3)⎰--2121221)(arcsin dx x x ; 解⎰⎰-=--210222121221)(arcsin 21)(arcsin dx xx dx x x ⎰=2102)(arcsin )(arcsin 2x d x324)(arcsin 3232103π==x .(4)⎰-++55242312sin dx x x xx .解因为函数12sin 2423++x x x x 是奇函数, 所以012sin 552423=++⎰-dx x x x x . 3. 证明:⎰⎰-=aaadx x dx x 022)(2)(ϕϕ, 其中ϕ(u )为连续函数.证明因为被积函数ϕ(x 2)是x 的偶函数, 且积分区间[-a , a ]关于原点对称, 所以有⎰⎰-=aaadx x dx x 022)(2)(ϕϕ.4. 设f (x )在[-b , b ]上连续, 证明⎰⎰---=bbbbdx x f dx x f )()(. 证明令x =-t , 则dx =-dt , 当x =-b 时t =b , 当x =b 时t =-b , 于是 ⎰⎰⎰----=--=bb bbb bdt t f dt t f dx x f )()1)(()(,而 ⎰⎰---=-bbbb dx x f dt t f )()(,所以⎰⎰---=bbbbdx x f dx x f )()(.5. 设f (x )在[a , b ]上连续., 证明⎰⎰-+=babadx x b a f dx x f )()(. 证明令x =a +b -t , 则dx =d t , 当x =a 时t =b , 当x =b 时t =a , 于是 ⎰⎰⎰-+=--+=ba baa bdt t b a f dt t b a f dx x f )()1)(()(,而 ⎰⎰-+=-+baba dx xb a f dt t b a f )()(,所以⎰⎰-+=babadx x b a f dx x f )()(.6. 证明: ⎰⎰>+=+11122)0(11x x x x dx x dx . 证明令t x 1=, 则dt t dx 21-=, 当x =x 时xt 1=, 当x =1时t =1, 于是⎰⎰⎰+=-⋅+=+11121122211)1(1111x x x dt t dt t t x dx ,而 ⎰⎰+=+x xdx x dt t 1121121111, 所以 ⎰⎰+=+1112211x x x dx x dx .7. 证明:⎰⎰-=-110)1()1(dx x x dx x x m n nm.证明令1-x =t , 则 ⎰⎰⎰⎰-=-=--=-11110)1()1()1()1(dx x x dt t t dt t t dx x x m n nm nm nm,即⎰⎰-=-11)1()1(dx x x dx x x m n nm.8. 证明: ⎰⎰=ππ020sin 2sin xdx xdx n n .证明 ⎰⎰⎰+=ππππ22sin sin sin xdx xdx xdx n nn,而 ⎰⎰⎰⎰==--=====-=202022sin sin ))((sin sin πππππππxdx tdt dt t xdx nn n tx n 令,所以⎰⎰=ππ20sin 2sin xdx xdx n n.9. 设f (x )是以l 为周期的连续函数, 证明⎰+1)(a adx x f 的值与a无关.证明已知f (x +l )=f (x ).⎰⎰⎰⎰++++=la ll aa a dx x f dx x f dx x f dx x f )()()()(001⎰⎰⎰-+=+ala lldx x f dx x f dx x f 00)()()(,而 ⎰⎰⎰⎰=+=+=====+=+aaalt x la l dx x f dx l x f dt l t f dx x f 0)()()()(令, 所以 ⎰⎰=+la adx x f dx x f 01)()(.因此⎰+1)(a adx x f 的值与a 无关.10. 若f (t )是连续函数且为奇函数, 证明⎰xdt t f 0)(是偶函数;若f (t )是连续函数且为偶函数, 证明⎰xdt t f 0)(是奇函数.证明设⎰=xdt t f x F 0)()(.若f (t )是连续函数且为奇函数, 则f (-t )=-f (t ), 从而 ⎰⎰--======--=-xut xdu u f dt t f x F 0)1)(()()(令)()()(0x F dx x f dx u f xx ===⎰⎰,即⎰=xdt t f x F 0)()(是偶函数.若f (t )是连续函数且为偶函数, 则f (-t )=f (t ), 从而 ⎰⎰--======--=-xut xdu u f dt t f x F 0)1)(()()(令)()()(0x F dx x f dx u f xx -=-=-=⎰⎰,即⎰=xdt t f x F 0)()(是奇函数.11. 计算下列定积分: (1)⎰-10dx xe x ;解11011101121--------=--=+-=-=⎰⎰⎰e ee dx e xexde dx xe x xx xx.(2)⎰e xdx x 1ln ;解 ⎰⎰⎰⋅-==e e e edx xx x x xdx xdx x 0212121121ln 21ln 21ln)1(4141212122+=-=e x e e.(3)⎰ωπω20sin tdt t (ω为常数);解⎰⎰-=ωπωπωωω2020cos 1sin t td tdt t⎰+-=ωπωπωωωω2020cos 1cos 1tdt t t220222sin 12ωπωωωπωπ-=+-=t . (4)⎰342sin ππdx xx ; 解 ⎰⎰⎰+-=-=34334342cot cot cot sin ππππππππxdx x x x xd dx x x 34sin ln 4313ππππx ++⋅-=23ln 21)9341(+-=π. (5)⎰41ln dx x x;解 ⎰⎰⎰⋅-==4141414112ln 2ln 2ln dx x x x x x xd dx xx)12ln 2(442ln 8122ln 84141-=-=-=⎰x dx x.(6)⎰1arctan xdx x ;解 ⎰⎰=1021arctan 21arctan xdx xdx x x d xx x x ⎰+⋅-=10221021121arctan 21 10102)arctan (218)111(218x x x d x --=+--=⎰ππ214)41(218-=--=πππ. (7)⎰202cos πxdx e x ;解⎰⎰⎰-==202202202202sin 2sin sin cos ππππxdx e x e x d e xdx e x xxx⎰⎰-+=+=202202202cos 4cos 2cos 2πππππxdx e x e e x d e e x x x ⎰-+=202cos 42ππxdx e e x所以)2(51cos 202-=⎰ππe xdx e x.(8)⎰212log xdx x ;解 ⎰⎰=2122212log 21log xdx xdx x⎰⋅-=21221222ln 121log 21dx x x x x2ln 432212ln 212212-=⋅-=x . (9)⎰π2)sin (dx x x ;解 ⎰⎰⎰-=-=ππππ20302022sin 4161)2cos 1(21)sin (x d x x dx x x dx x x ⎰⎰-=⋅+-=πππππππ03000332cos 41622sin 412sin 416x xd x xd x x x 462sin 81462cos 412cos 416303003ππππππππ-=+-=+-=⎰x xdx x x . (10)⎰edx x 1)sin(ln ;解法一 ⎰⎰⋅======1ln 1sin )sin(ln dt e t dx x t tx e令.因为⎰⎰⎰-==⋅11011cos sin sin sin tdt e t e tde dt e t t ttt⎰⎰--⋅=-⋅=1101sin cos 1sin cos 1sin tdt e t e e tde e t tt⎰-+⋅-⋅=10sin 11cos 1sin tdt e e e t ,所以)11cos 1sin (21sin 1+⋅-⋅=⎰e e tdt e t . 因此 )11cos 1sin (21)sin(ln 1+⋅-⋅=⎰e e dx x e.解法二⎰⎰⋅⋅-⋅=eeedx xx x x x dx x 1111)cos(ln )sin(ln )sin(ln ⎰-⋅=edx x e 1)cos(ln 1sin⎰⋅⋅-⋅-⋅=eedx xx x x x e 111)sin(ln )cos(ln 1sin⎰-+⋅-⋅=edx x e e 0)sin(ln 11cos 1sin ,故)11cos 1sin (21)sin(ln 1+⋅-⋅=⎰e e dx x e. (11)dx x ee⎰1|ln |;解dx x dx x dx x eee e⎰⎰⎰+-=1111ln ln |ln |⎰⎰-++-=eeeedx dx x x x x 111111ln ln )11(2)1()11(1e e e e e -=---++-=.(12)⎰-1022)1(dx x m(m 为自然数);解⎰⎰+======-201sin 122cos )1(πtdt dx x m t x m令. 根据递推公式⎰⎰--=20220cos 1cos ππxdx n n xdx n n,⎪⎩⎪⎨⎧⋅⋅⋅⋅⋅--⋅--⋅+⋅⋅⋅⋅⋅⋅--⋅--⋅+=-⎰. ,325476 34121, ,2214365 34121)1(1022为偶数为奇数m m m m m m m m m m m m m m dx x m π(13)⎰=πsin xdx x J m m (m 为自然数).解因为⎰⎰---=====-=0)1)((sin )(sin πππππdt t t xdx x m tx m令⎰⎰-=πππ0sin sin tdt t tdt m m,所以 ⎰⎰==πππ0sin 2sin xdx xdx x J m mm⎰⎰=⋅=2020sin sin 22ππππxdx xdx m m (用第8题结果).根据递推公式⎰⎰--=20220sin 1sin ππxdx n n xdx n n ,⎪⎩⎪⎨⎧⋅⋅⋅⋅⋅--⋅--⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅--⋅--⋅-=. ,325476 45231, ,2214365 452312为奇数为偶数m m m m m m m m m m m m m m J m ππ习题5-41. 判别下列各反常积分的收敛性, 如果收敛, 计算反常积分的值: (1)⎰∞+14x dx ; 解因为3131)31(lim 3131314=+-=-=-+∞→∞+-∞+⎰x x x dx x , 所以反常积分⎰∞+14x dx 收敛, 且3114=⎰∞+x dx . (2)⎰∞+1xdx;解因为+∞=-==+∞→∞+∞+⎰22lim 211x x x dx x , 所以反常积分⎰∞+1x dx发散.(3)dx e ax ⎰∞+-0(a >0);解因为aa e a e a dx e ax x ax ax11)1(lim 100=+-=-=-+∞→∞+-∞+-⎰, 所以反常积分dx e ax⎰∞+-0收敛, 且adx e ax 10=⎰∞+-.(4)⎰∞+-0ch tdt e pt (p >1);解因为⎰⎰∞++--∞+-+=0)1()1(0][21ch dt e e tdt e t p t p pt1]1111[2120)1()1(-=+--=∞++--p pe p e p t p t p ,所以反常积分⎰∞+-0ch tdt e pt收敛, 且1ch 20-=⎰∞+-p ptdt e pt .(5)⎰∞+-0sin tdt e pt ω(p >0, ω>0);解 ⎰⎰∞+-∞+--=0cos 1sin t d e tdt ept ptωωω⎰∞+-∞+--⋅+-=00)(cos 1cos 1dt pe t t e pt ptωωωω ⎰∞+--=02sin 1t d e p pt ωωω ⎰∞+-∞+--⋅+-=0202)(sin sin 1dt pe t p t e p pt pt ωωωωω⎰∞+--=022sin 1tdt e p pt ωωω, 所以220sin w p tdt e pt +=⎰∞+-ωω. (6)⎰+∞∞-++222x x dx ;解 πππ=--=+=++=++⎰⎰∞+∞-∞+∞-+∞∞-)2(2)1arctan()1(12222x x dx x x dx . (7)dx x x ⎰-121; 解这是无界函数的反常积分, x =1是被积函数的瑕点.11)1(lim 1121102102=+--=--=--→⎰x x dx x x x . (8)⎰-202)1(x dx;解这是无界函数的反常积分, x =1是被积函数的瑕点. 因为⎰⎰⎰-+-=-212102202)1()1()1(x dx x dx x dx , 而+∞=--=-=--→⎰111lim 11)1(110102xx x dx x ,所以反常积分⎰-202)1(x dx 发散. (9)⎰-211x xdx ; 解这是无界函数的反常积分, x =1是被积函数的瑕点.21232121]12)1(32[)111(1-+-=-+-=-⎰⎰x x dx x x x xdx 322]12)1(32[lim 38231=-+--=+→x x x . (10)⎰-e x x dx 12)(ln 1. 解这是无界函数的反常积分, x =e 是被积函数的瑕点.x d x x x dx e eln )(ln 11)(ln 11212⎰⎰-=- 2)arcsin(ln lim )arcsin(ln 1π===-→x x e x e. 2. 当k 为何值时, 反常积分⎰∞+0)(ln kx x dx 收敛? 当k 为何值时, 这反常积分发散? 又当k 为何值时, 这反常积分取得最小值?解当k <1时,+∞=-==∞++-∞+∞+⎰⎰2122)(ln 11ln )(ln 1)(ln k k k x kx d x x x dx ;当k =1时,+∞===∞+∞+∞+⎰⎰222)ln(ln ln ln 1)(ln x x d xx x dx k ;当k >1时,k k k k k x k x d x x x dx -∞++-∞+∞+-=-==⎰⎰12122)2(ln 11)(ln 11ln )(ln 1)(ln .因此当k >1时, 反常积分⎰∞+0)(ln kx x dx 收敛; 当k ≤1时, 反常积分⎰∞+0)(ln kx x dx 发散.当k >1时, 令k k k x x dx k f -∞+-==⎰10)2(ln 11)(ln )(, 则 2ln ln )2(ln 11)2(ln )1(1)(112k k k k k f ------=' )2ln ln 11()1(2ln ln )2(ln 21+---=-k k k . 令f '(k )=0得唯一驻点2ln ln 11-=k .因为当2ln ln 111-<<k 时f '(k )<0, 当2ln ln 11->k 时f '(k )>0, 所以2ln ln 11-=k 为极小值点, 同时也是最小值点, 即当2ln ln 11-=k 时, 这反常积分取得最小值3. 利用递推公式计算反常积分⎰∞+-=0dx e x I x n n .解因为⎰⎰∞+-∞+--==0x n x n n de x dx e x I1010-∞+--∞+-=+-=⎰n x n x n nI dx e x n ex ,所以 I n = n ⋅(n -1)⋅(n -2)⋅⋅⋅2⋅I 1. 又因为 1001=-=+-=-==∞+-∞+-∞+-∞+-∞+-⎰⎰⎰x x x xxe dx e xexde dx xe I ,所以 I n = n ⋅(n -1)⋅(n -2)⋅ ⋅ ⋅2⋅I 1=n !.总习题五1. 填空:(1)函数f (x )在[a , b ]上(常义)有界是f (x )在[a , b ]上可积的______条件, 而f (x )在[a , b ]上连续是f (x )在[a , b ]上可积______的条件;解函数f (x )在[a , b ]上(常义)有界是f (x )在[a , b ]上可积的___必要___条件, 而f (x )在[a , b ]上连续是f (x )在[a , b ]上可积___充分___的条件;(2)对[a , +∞)上非负、连续的函数f (x ), 它的变上限积分⎰xa dx x f )(在[a , +∞)上有界是反常积分⎰+∞a dx x f )(收敛的______条件;解对[a , +∞)上非负、连续的函数f (x ), 它的变上限积分⎰xa dx x f )(在[a , +∞)上有界是反常积分⎰+∞a dx x f )(收敛的___充分___条件;(3)绝对收敛的反常积分⎰+∞a dx x f )(一定______; 解绝对收敛的反常积分⎰+∞a dx x f )(一定___收敛___;(4)函数f (x )在[a , b ]上有定义且|f (x )|在[a , b ]上可积, 此时积分⎰ba dx x f )(______存在. 解函数f (x )在[a ,b ]上有定义且|f (x )|在[a , b ]上可积, 此时积分⎰ba dx x f )(___不一定___存在.2. 计算下列极限: (1)∑=∞→+n i n nin 111lim ;解 )122(32)1(32111lim 103101-=+=+=+⎰∑=∞→x dx x n i n n i n . (2)121lim+∞→+⋅⋅⋅++p pp p n nn (p >0);解 11111])( )2()1[(lim 21lim101101+=+==⋅⋅⋅⋅++=+⋅⋅⋅+++∞→+∞→⎰p x p dx x n n n n n nn p p p p p n p p p p n . (3)nn nn !lnlim ∞→; 解 ]ln 1)ln 2ln 1(ln 1[lim !lnlim n n nn n n n n nn ⋅-+⋅⋅⋅++=∞→∞→nn n n n n 1)]ln (ln )ln 2(ln )ln 1[(ln lim ⋅-+⋅⋅⋅+-+-=∞→⎰=⋅+⋅⋅⋅++=∞→10ln 1)ln 2ln 1(ln lim xdx n n n n n n1)ln ()ln (10101010-=-=-=⎰xx x dx x x .(4)⎰-→xaa x dt t f a x x )(lim, 其中f (x )连续; 解法一 )()(lim )(lima af xf dt t f a x x a xa a x ==-→→⎰ξξ (用的是积分中值定理). 解法二 )(1)()(lim)(lim )(lim a af x xf dt t f ax dt t f x dt t f a x x xa ax xa ax xa a x =+=-=-⎰⎰⎰→→→ (用的是洛必达法则). (5)1)(arctan lim202+⎰+∞→x dtt xx .解 4)(arctan 1lim 1)(arctan lim 1)(arctan lim22222202π=+=+=+∞→+∞→+∞→⎰x x x x x x x dtt x x xx . 3. 下列计算是否正确, 试说明理由: (1)⎰⎰----=-=+-=+111111222)1arctan ()1(1)1(1πx xx d x dx ;解计算不正确, 因为x 1在[-1, 1]上不连续. (2)因为⎰⎰--++-=++111122111t t dt tx x x dx , 所以⎰-=++11201x x dx .解计算不正确, 因为t1在[-1, 1]上不连续.(3)01lim 122=+=+⎰⎰-∞→+∞∞-A A A dx x xdx x x . 解不正确, 因为⎰⎰⎰⎰-+∞→+∞→+∞∞--∞→+≠+++=+A A A b b a a dx x xdx x x dx x x dx x x 2020221lim 1lim 1lim 1. 4. 设p >0, 证明⎰<+<+10111px dx p p. 证明 p pp pp p px xx x x x x->+-=+-+=+>11111111. 因为⎰⎰⎰<+<-1010101)1(dx x dxdx x pp,而 110=⎰dx , pp p x x dx x p p+=+-=-+⎰1)1()1(10110, 所以⎰<+<+10111p xdx p p. 5. 设f (x )、g (x )在区间[a , b ]上均连续, 证明: (1)⎰⎰⎰⋅≤ba ba ba dx x g dx x f dx x g x f )()(])()([222;证明因为[f (x )-λg (x )]2≥0, 所以λ2g 2(x )-2λ f (x )g (x )+f 2(x )≥0, 从而 0)()()(2)(222≥+-⎰⎰⎰ba ba ba dx x f dx x g x f dx x g λλ.上式的左端可视为关于λ的二次三项式, 因为此二次三项式大于等于0, 所以其判别式小于等于0, 即0)()(4])()([4222≤⋅-⎰⎰⎰ba b a b a dx x g dx x f dx x g x f ,亦即 ⎰⎰⎰⋅≤ba ba ba dx x g dx x f dx x g x f )()(])()([222. (2)()()()212212212)()()]()([⎰⎰⎰+≤+b ab a b a dx x g dx x f dx x g x f , 证明⎰⎰⎰⎰++=+ba b a b a b a dx x g x f dx x g dx x f dx x g x f )()(2)()()]()([222 212222])()([2)()(⎰⎰⎰⎰⋅++≤ba ba ba ba dx x g dx x f dx x g dx x f ,又()2212212212222])([])([])()([2)()(⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=⋅++ba ba ba ba ba ba dx x gdx x fdx x gdx x f dx x g dx x f,所以()()()212212212)()()]()([⎰⎰⎰+≤+b ab a b a dx x g dx x f dx x g x f . 6. 设f (x )在区间[a , b ]上连续, 且f (x )>0. 证明⎰⎰-≥⋅b a baa b x f dxdx x f 2)()()(. 证明已知有不等式⎰⎰⎰⋅≤ba ba ba dx x g dx x f dx x g x f )()(])()([222, 在此不等式中, 取)(1)(x f x f =, )()(x f x g =, 则有⎰⎰⎰⋅≥⋅⋅ba ba ba dx x f x f dx x f dx x f 222])(1)([])(1[])([,即⎰⎰-≥⋅ba baa b x f dxdx x f 2)()()(. 7. 计算下列积分: (1)⎰++2cos 1sin πdx xxx ;解 20202020220)cos 1ln()2(tan cos 1)cos 1(2cos2cos 1sin πππππ⎰⎰⎰⎰+-=++-=++x xxd x x d dx x x dx xxx⎰=++=+-=2022022ln 2cos ln 222ln 2tan )2tan (πππππx dx x xx .(2)⎰+40)tan 1ln(πdx x ;解 ⎰⎰+=+4040cos )4sin(2ln)tan 1ln(πππdx xx dx x ⎰⎰⎰-++=404040cos ln )4sin(ln 2ln ππππxdx dx x dx .令,4u x =-π则。

同济大学第六版高等数学的课后典型题

246页例3.
247页例5.
248页例6.
249页例7.
习题5--3题1做一半，题2.
习题5--4题1做偶数题，题2
总习题五题8.9.10.11.12.13.14
习题6--2题5.7.9.13.20.28.30.
习题7--2题1做奇数，
习题7--3题1.
习题7--4题1.7.
习题7--5题1
习题7--6题5
习题7--7题1做奇数，
习题7--8题1做奇数，
总习题七题1.题7
习题9--2题3.4.6.8.9.
习题9--3题2.5.
同济六版高等数学典型题
习题1--5:习题4.5.
习题1--6:习题2.4，
习题1--7:习题4.
习题1--8习题3.4.5
习题1--没有画题，看自己的情况选择做
习题9--4题2.7.9.12.
习题9--5题1.2.6.11.
习题9--8题1.2.4.5.
总习题九习题5.8.9.12.
习题10--2题2.6.11.13.14.15
以上就是同济大学第六版高等数学的课后典型题，供近期才开始复习的同学参考，第二章求导没有画题，看自己的情况选择做
总习题一习题3.9.12.13.14
习题3--1全部
习题3--2:题2.4
习题3--3:题10
习题3--4题5.6.11.12.15
习题3--5题2.3
总习题三全部
221页总习题四，
习题5--2题3.9.10.12.14.

高等数学同济第六版下册课后习题答案

习题8-11. 设u =a -b +2c , v =-a +3b -c . 试用a 、b 、c 表示2u -3v . 解 2u -3v =2(a -b +2c )-3(-a +3b -c )=2a -2b +4c +3a -9b +3c=5a -11b +7c .2. 如果平面上一个四边形的对角线互相平分, 试用向量证明这是平行四边形.证 →→→-=OA OB AB ; →→→-=OD OC DC ,而 →→-=OA OC , →→-=OB OD ,所以 →→→→→→-=-=+-=AB OA OB OB OA DC .这说明四边形ABCD 的对边AB =CD 且AB //CD , 从而四边形ABCD 是平行四边形.3. 把∆ABC 的BC 边五等分, 设分点依次为D 1、D 2、D 3、D 4, 再把各分点与点A 连接. 试以c =→AB 、a =→BC 表示向量→A D 1、→A D 2、→A D 3、→A D 4.解 a c 5111--=-=→→→BD BA A D , a c 5222--=-=→→→BD BA A D , a c 5333--=-=→→→BD BA A D , a c 5444--=-=→→→BD BA A D .4. 已知两点M 1(0, 1, 2)和M 2(1, -1, 0). 试用坐标表示式表示向量→21M M 及→-212M M .解 )2 ,2 ,1()2 ,1 ,0()0 ,1 ,1(21--=--=→M M ,)4 ,4 ,2()2 ,2 ,1(2221-=---=-→M M .5. 求平行于向量a =(6, 7, -6)的单位向量.解 11)6(76||222=-++=a ,平行于向量a =(6, 7, -6)的单位向量为)116 ,117 ,116(||1-=a a 或)116 ,117 ,116(||1--=-a a . 6. 在空间直角坐标系中, 指出下列各点在哪个卦限？ A (1, -2, 3); B (2, 3, -4); C (2, -3, -4); D (-2, -3, 1).解 A 在第四卦限, B 在第五卦限, C 在第八卦限, D 在第三卦限.7. 在坐标面上和坐标轴上的点的坐标各有什么特征？指出下列各点的位置:A (3, 4, 0);B (0, 4, 3);C (3, 0, 0);D (0, -1, 0).解在xOy 面上, 点的坐标为(x , y , 0); 在yOz 面上, 点的坐标为(0, y , z ); 在zOx 面上, 点的坐标为(x , 0, z ).在x 轴上, 点的坐标为(x , 0, 0); 在y 轴上, 点的坐标为(0, y , 0), 在z 轴上, 点的坐标为(0, 0, z ).A 在xOy 面上,B 在yOz 面上,C 在x 轴上,D 在y 轴上. 8. 求点(a , b , c )关于(1)各坐标面; (2)各坐标轴; (3)坐标原点的对称点的坐标.解 (1)点(a , b , c )关于xOy 面的对称点为(a , b , -c ), 点(a , b , c )关于yOz 面的对称点为(-a , b , c ), 点(a , b , c )关于zOx 面的对称点为(a , -b , c ).(2)点(a , b , c )关于x 轴的对称点为(a , -b , -c ), 点(a , b , c )关于y 轴的对称点为(-a , b , -c ), 点(a , b , c )关于z 轴的对称点为(-a , -b , c ).(3)点(a , b , c )关于坐标原点的对称点为(-a , -b , -c ). 9. 自点P 0(x 0, y 0, z 0)分别作各坐标面和各坐标轴的垂线, 写出各垂足的坐标.解在xOy 面、yOz 面和zOx 面上, 垂足的坐标分别为(x 0, y 0, 0)、(0, y 0, z 0)和(x 0, 0, z 0).在x 轴、y 轴和z 轴上, 垂足的坐标分别为(x 0, 0, 0), (0, y 0, 0)和(0, 0, z 0).10. 过点P 0(x 0, y 0, z 0)分别作平行于z 轴的直线和平行于xOy 面的平面, 问在它们上面的点的坐标各有什么特点？解在所作的平行于z 轴的直线上, 点的坐标为(x 0, y 0, z ); 在所作的平行于xOy 面的平面上, 点的坐标为(x , y , z 0).11. 一边长为a 的立方体放置在xOy 面上, 其底面的中心在坐标原点, 底面的顶点在x 轴和y 轴上, 求它各顶点的坐标. 解因为底面的对角线的长为a 2, 所以立方体各顶点的坐标分别为)0 ,0 ,22(a -, )0 ,0 ,22(a , )0 ,22 ,0(a -, )0 ,22 ,0(a , ) ,0 ,22(a a -, ) ,0 ,22(a a , ) ,22 ,0(a a -, ) ,22 ,0(a a . 12. 求点M (4, -3, 5)到各坐标轴的距离.解点M 到x 轴的距离就是点(4, -3, 5)与点(4, 0, 0)之间的距离, 即345)3(22=+-=x d .点M 到y 轴的距离就是点(4, -3, 5)与点(0, -3, 0)之间的距离, 即415422=+=y d .点M 到z 轴的距离就是点(4, -3, 5)与点(0, 0, 5)之间的距离, 即5)3(422=-+=z d .13. 在yOz 面上, 求与三点A (3, 1, 2)、B (4, -2, -2)和C (0, 5,1)等距离的点.解设所求的点为P (0, y , z )与A 、B 、C 等距离, 则 2222)2()1(3||-+-+=→z y PA ,2222)2()2(4||++++=→z y PB ,222)1()5(||-+-=→z y PC .由题意, 有222||||||→→→==PC PB PA , 即 ⎩⎨⎧-+-=++++-+-=-+-+2222222222)1()5()2()2(4)1()5()2()1(3z y z y z y z y 解之得y =1, z =-2, 故所求点为(0, 1, -2).14. 试证明以三点A (4, 1, 9)、B (10, -1, 6)、C (2, 4, 3)为顶点的三角形是等腰三角直角三角形.解因为7)96()11()410(||222=-+--+-=→AB ,7)93()14()42(||222=-+-+-=→AC ,27)63()14()102(||222=-+++-=→BC ,所以222||||||→→→+=AC AB BC , ||||→→=AC AB . 因此∆ABC 是等腰直角三角形.15. 设已知两点1) ,2 ,4(1M 和M 2(3, 0, 2). 计算向量→21M M 的模、方向余弦和方向角.解 )1 ,2 ,1()12 ,20 ,43(21-=---=→M M ;21)2()1(||22221=++-=→M M ;21cos -=α, 22cos =β, 21cos =γ; 32πα=, 43 πβ=, 3πγ=. 16. 设向量的方向余弦分别满足(1)cos α=0; (2)cos β=1;(3)cos α=cos β=0, 问这些向量与坐标轴或坐标面的关系如何？解 (1)当cos α=0时, 向量垂直于x 轴, 或者说是平行于yOz 面.(2)当cos β=1时, 向量的方向与y 轴的正向一致, 垂直于zOx 面.(3)当cos α=cos β=0时, 向量垂直于x 轴和y 轴, 平行于z 轴, 垂直于xOy 面.17. 设向量r 的模是4, 它与轴u 的夹角是60︒, 求r 在轴 u 上的投影.解 22143cos ||j Pr =⋅=⋅=πr r u . 18. 一向量的终点在点B (2, -1, 7), 它在x 轴、y 轴和z 轴上的投影依次为4, -4, 7. 求这向量的起点A 的坐标.解设点A 的坐标为(x , y , z ). 由已知得⎪⎩⎪⎨⎧=--=--=-774142z y x ,解得x =-2, y =3, z =0. 点A 的坐标为A (-2, 3, 0).19. 设m =3i +5j +8k , n =2i -4j -7k 和p =5i +j -4k . 求向量a =4m +3n -p 在x 轴上的投影及在y 轴上的分向量.解因为a =4m +3n -p=4(3i +5j +8k )+3(2i -4j -7k )-(5i +j -4k )=13i +7j +15k ,所以a =4m +3n -p 在x 轴上的投影为13, 在y 轴上的分向量7j .习题8-21. 设a =3i -j -2k , b =i +2j -k , 求(1)a ⋅b 及a ⨯b ; (2)(-2a )⋅3b 及a ⨯2b ; (3)a 、b 夹角的余弦.解 (1)a ⋅b =3⨯1+(-1)⨯2+(-2)⨯(-1)=3,k j i k j i b a 75121 213++=---=⨯. (2)(-2a )⋅3b =-6a ⋅b = -6⨯3=-18,a ⨯2b =2(a ⨯b )=2(5i +j +7k )=10i +2j +14k .(3)21236143||||||) ,cos(^==⋅=b a b a b a . 2. 设a 、b 、c 为单位向量, 且满足a +b +c =0, 求a ⋅b +b ⋅c +c ⋅a .解因为a +b +c =0, 所以(a +b +c )⋅(a +b +c )=0,即 a ⋅a +b ⋅b +c ⋅c +2a ⋅b +2a ⋅c +2c ⋅a =0,于是 23)111(21)(21-=++-=⋅+⋅+⋅-=⋅+⋅+⋅c c b b a a a c c b b a . 3. 已知M 1(1, -1, 2)、M 2(3, 3, 1)和M 3(3, 1, 3). 求与→21M M 、→32M M 同时垂直的单位向量.解 →)1 ,4 (2,2)1 ,13 ,13(21-=-+-=M M , →)2 ,2 ,0()13 ,31 ,33(32-=---=M M . →→k j i k j i n 446 220 142 3221--=--=⨯=M M M M , 172161636||=++=n ,)223(171)446(1721k j i k j i e --±=--±=为所求向量. 4. 设质量为100kg 的物体从点M 1(3, 1, 8)沿直线称动到点M 2(1, 4, 2), 计算重力所作的功(长度单位为m , 重力方向为z 轴负方向).解F =(0, 0, -100⨯9. 8)=(0, 0, -980), →)6 ,3 ,2()82 ,14 ,31(21--=---==M M S . W =F ⋅S =(0, 0, -980)⋅(-2, 3, -6)=5880(焦耳).5. 在杠杆上支点O 的一侧与点O 的距离为x 1的点P 1处, 有一与→1OP 成角θ1的力F 1作用着; 在O 的另一侧与点O 的距离为x 2的点P 2处, 有一与→2OP 成角θ1的力F 1作用着. 问θ1、θ2、x 1、x 2、|F 1|、|F 2|符合怎样的条件才能使杠杆保持平衡？解因为有固定转轴的物体的平衡条件是力矩的代数和为零, 再注意到对力矩正负的规定可得, 使杠杆保持平衡的条件为x 1|F 1|⋅sin θ1-x 2|F 2|⋅sin θ2=0,即 x 1|F 1|⋅sin θ1=x 2|F 2|⋅sin θ2.6. 求向量a =(4, -3, 4)在向量b =(2, 2, 1)上的投影.解2)142324(31)1 ,2 ,2()4 ,3 ,4(1221||1||j Pr 222=⨯+⨯-⨯=⋅-++=⋅=⋅=⋅=b a b b b a e a a b b . 7. 设a =(3, 5, -2), b =(2, 1, 4), 问λ与μ有怎样的关系, 能使得λa +μb 与z 轴垂直? 解 λa +μb =(3λ+2μ, 5λ+μ, -2λ+4μ),λa +μb 与z 轴垂⇔λa +μb ⊥k⇔(3λ+2μ, 5λ+μ, -2λ+4μ)⋅(0, 0, 1)=0,即-2λ+4μ=0, 所以λ=2μ. 当λ=2μ时, λa +μb 与z 轴垂直.8. 试用向量证明直径所对的圆周角是直角.证明设AB 是圆O 的直径, C 点在圆周上, 则→→OA OB -=, →→||||OA OC =.因为→→→→→→→→→→→→0||||)()()()(22=-=+⋅-=-⋅-=⋅OA OC OA OC OA OC OB OC OA OC BC AC ,所以→→BC AC ⊥, ∠C =90︒.9. 设已知向量a =2i -3j +k , b =i -j +3k 和c =i -2j , 计算: (1)(a ⋅b )c -(a ⋅c )b ; (2)(a +b )⨯(b +c );(3)(a ⨯b )⋅c .解 (1)a ⋅b =2⨯1+(-3)⨯(-1)+1⨯3=8, a ⋅c =2⨯1+(-3)⨯(-2)=8,(a ⋅b )c -(a ⋅c )b =8c -8b =8(c -b )=8[(i -2j )-(i -j +3k )]=-8j -24k .(2)a +b =3i -4j +4k , b +c =2i -3j +3k ,k j k j i c b b a --=--=+⨯+332443)()(. (3)k j i k j i b a +--=--=⨯58311132, (a ⨯b )⋅c =-8⨯1+(-5)⨯(-2)+1⨯0=2.10. 已知→j i 3+=OA , →k j 3+=OB , 求∆OAB 的面积.解根据向量积的几何意义, →→||OB OA ⨯表示以→OA 和→OB 为邻边的平行四边形的面积, 于是∆OAB 的面积为→→||21OB OA S ⨯=. 因为→→k j i k j i +--==⨯33310301OB OA , →→191)3()3(||223=+-+-=⨯OB OA , 所以三角形∆OAB 的面积为→→1921||21=⨯=OB OA S . 12. 试用向量证明不等式:||332211232221232221b a b a b a b b b a a a ++≥++++,其中a 1、a 2、a 3、b 1、b 2、b 3为任意实数, 并指出等号成立的条件.解设a =(a 1, a 2, a 3), b =(b 1, b 2, b 3), 则有||||) ,cos(||||^b a b a b a b a ⋅≤⋅=⋅,于是 ||332211232221232221b a b a b a b b b a a a ++≥++++,其中当) ,cos(^b a =1时, 即a 与b 平行是等号成立.习题8-31. 一动点与两定点(2, 3, 1)和(4, 5, 6)等距离, 求这动点的轨迹方程.解设动点为M (x , y , z ), 依题意有(x -2)2+(y -3)2+(z -1)2=(x -4)2+(y -5)2+(z -6)2,即 4x +4y +10z -63=0.2. 建立以点(1, 3, -2)为球心, 且通过坐标原点的球面方程.解球的半径14)2(31222=-++=R ,球面方程为(x -1)2+(y -3)2+(z +2)2=14,即 x 2+y 2+z 2-2x -6y +4z =0.3. 方程x 2+y 2+z 2-2x +4y +2z =0表示什么曲面?解由已知方程得(x 2-2x +1)+(y 2+4y +4)+(z 2+2z +1)=1+4+1,即 2222)6()1()2()1(=++++-z y x ,所以此方程表示以(1, -2, -1)为球心, 以6为半径的球面.4. 求与坐标原点O 及点(2, 3, 4)的距离之比为1:2的点的全体所组成的曲面的方程, 它表示怎样曲面？解设点(x , y , z )满足题意, 依题意有21)4()3()2(222222=-+-+-++z y x z y x , 化简整理得9116)34()1()32(222=+++++z y x , 它表示以)34 ,1 ,32(---为球心, 以2932为半径的球面. 5. 将zOx 坐标面上的抛物线z 2=5x 绕x 轴旋转一周, 求所生成的旋转曲面的方程. 解将方程中的z 换成22z y +±得旋转曲面的方程y 2+z 2=5x .6. 将zOx 坐标面上的圆x 2+z 2=9绕z 轴旋转一周, 求所生成的旋转曲面的方程.解将方程中的x 换成22y x +±得旋转曲面的方程x 2+y 2+z 2=9.7. 将xOy 坐标面上的双曲线4x 2-9y 2=36分别绕x 轴及y 轴旋转一周, 求所生成的旋转曲面的方程.解双曲线绕x 轴旋转而得的旋转曲面的方程为4x 2-9y 2-9z 2=36.双曲线绕y 轴旋转而得的旋转曲面的方程为4x 2+4z 2-9y 2=36.8. 画出下列方程所表示的曲面:(1)222)2()2(a y a x =+-;(2)19422=+-y x ;(3)14922=+z x ;(4)y2-z=0;(5)z=2-x2.9.指出下列方程在平面解析几何中和在空间解析几何中分别表示什么图形:(1)x=2;解在平面解析几何中,x=2表示平行于y轴的一条直线;在空间解析几何中,x=2表示一张平行于yOz面的平面.(2)y=x+1;解在平面解析几何中,y=x+1表示一条斜率是1,在y轴上的截距也是1的直线;在空间解析几何中，y=x+1表示一张平行于z轴的平面.(3)x2+y2=4;解在平面解析几何中,x2+y2=4表示中心在原点,半径是4的圆;在空间解析几何中, x2+y2=4表示母线平行于z轴,准线为x2+y2=4的圆柱面.(4)x2-y2=1.解在平面解析几何中,x2-y2=1表示双曲线;在空间解析几何中,x2-y2=1表示母线平行于z轴的双曲面.10.说明下列旋转曲面是怎样形成的:(1)1994222=++z y x ;解这是xOy 面上的椭圆19422=+y x 绕x 轴旋转一周而形成的, 或是zOx 面上的椭圆19422=+z x 绕x 轴旋转一周而形成的.(2)14222=+-z y x ;解这是xOy 面上的双曲线1422=-y x 绕y 轴旋转一周而形成的, 或是yOz 面上的双曲线1422=+-z y 绕y 轴旋转一周而形成的. (3)x 2-y 2-z 2=1;解这是xOy 面上的双曲线x 2-y 2=1绕x 轴旋转一周而形成的, 或是zOx 面上的双曲线x 2-z 2=1绕x 轴旋转一周而形成的. (4)(z -a )2=x 2+y 2 .解这是zOx 面上的曲线(z -a )2=x 2绕z 轴旋转一周而形成的, 或是yOz 面上的曲线(z -a )2=y 2绕z 轴旋转一周而形成的. 11. 画出下列方程所表示的曲面: (1)4x 2+y 2-z 2=4;(2)x 2-y 2-4z 2=4;(3)94322y x z +=.习题8-41. 画出下列曲线在第一卦限内的图形: (1)⎩⎨⎧==21y x ;(2)⎩⎨⎧=---=0422y x y x z ;(3) ⎩⎨⎧=+=+222222az x a y x .2. 指出下方程组在平面解析几何中与在空间解析几何中分别表示什么图形: (1)⎩⎨⎧-=+=3215x y x y ;解在平面解析几何中, ⎩⎨⎧-=+=3215x y x y 表示直线y =5x +1与y =2x -3的交点)317 ,34(--; 在空间解析几何中, ⎩⎨⎧-=+=3215x y x y 表示平面y =5x +1与y =2x -3的交线, 它表示过点)0 ,317 ,34(--, 并且行于z 轴. (2)⎪⎩⎪⎨⎧==+319422y y x .解在平面解析几何中, ⎪⎩⎪⎨⎧==+319422y y x 表示椭圆19422=+y x 与其切线y =3的交点(0, 3); 在空间解析几何中, ⎪⎩⎪⎨⎧==+319422y y x 表示椭圆柱面19422=+y x 与其切平面y =3的交线.3. 分别求母线平行于x 轴及y 轴而且通过曲线⎩⎨⎧=-+=++0162222222y z x z y x 的柱面方程.解把方程组中的x 消去得方程3y 2-z 2=16, 这就是母线平行于x 轴且通过曲线⎩⎨⎧=-+=++0162222222y z x z y x 的柱面方程. 把方程组中的y 消去得方程3x 2+2z 2=16, 这就是母线平行于y轴且通过曲线⎩⎨⎧=-+=++0162222222y z x z y x 的柱面方程. 4. 求球面x 2+y 2+z 2=9与平面x +z =1的交线在xOy 面上的投影的方程.解由x +z =1得z =1-x 代入x 2+y 2+z 2=9得方程2x 2-2x +y 2=8, 这是母线平行于z 轴, 准线为球面x 2+y 2+z 2=9与平面x +z =1的交线的柱面方程, 于是所求的投影方程为 ⎩⎨⎧==+-082222z y x x .5. 将下列曲线的一般方程化为参数方程:(1)⎩⎨⎧==++x y z y x 9222 ;解将y =x 代入x 2+y 2+z 2=9得2x 2+z 2=9, 即13)23(2222=+z x .令t x cos 23=, 则z =3sin t .故所求参数方程为t x cos 23=, t y cos 23=, z =3sin t .(2)⎩⎨⎧==+++-04)1()1(222z z y x .解将z =0代入(x -1)2+y 2+(z +1)2=4得(x -1)2+y 2=3. 令t x cos 31+=, 则t y sin 3=, 于是所求参数方程为t x cos 31+=, t y sin 3=, z =0.6. 求螺旋线⎪⎩⎪⎨⎧===θθθb z a y a x sin cos 在三个坐标面上的投影曲线的直角坐标方程.解由前两个方程得x 2+y 2=a 2, 于是螺旋线在xOy 面上的投影曲线的直角坐标方程为 ⎩⎨⎧==+0222z a y x .由第三个方程得bz=θ代入第一个方程得b z a x cos =, 即axb z arccos =,于是螺旋线在zOx 面上的投影曲线的直角坐标方程为⎪⎩⎪⎨⎧==0arccos y a xb z .由第三个方程得b z =θ代入第二个方程得b z a y sin =, 即ay b z arcsin =, 于是螺旋线在yOz 面上的投影曲线的直角坐标方程为 ⎪⎩⎪⎨⎧==a y b z x arcsin 0.7. 求上半球2220y x a z --≤≤与圆柱体x 2+y 2≤ax (a >0)的公共部分在xOy 面和zOx 面上的投影.解圆柱体x 2+y 2≤ax 在xOy 面上的投影为x 2+y 2≤ax , 它含在半球2220y x a z --≤≤在xOy 面上的投影x 2+y 2≤a 2内, 所以半球与圆柱体的公共部分在xOy 面上的投影为x 2+y 2≤ax .为求半球与圆柱体的公共部分在zOx 面上的投影, 由圆柱面方程x 2+y 2=ax 得y 2=ax -x 2, 代入半球面方程222y x a z --=, 得ax a z -=2(0≤x ≤a ), 于是半球与圆柱体的公共部分在zOx 面上的投影为ax a z -≤≤20(0≤x ≤a ), 即z 2+ax ≤a 2, 0≤x ≤a , z ≥0.8. 求旋转抛物面z =x 2+y 2(0≤z ≤4)在三坐标面上的投影.解令z =4得x 2+y 2=4, 于是旋转抛物面z =x 2+y 2(0≤z ≤4)在xOy 面上的投影为x 2+y 2≤4. 令x =0得z =y 2, 于是旋转抛物面z =x 2+y 2(0≤z ≤4)在yOz 面上的投影为y 2≤z ≤4. 令y =0得z =x 2, 于是旋转抛物面z =x 2+y 2(0≤z ≤4)在zOx 面上的投影为x 2≤z ≤4.习题8-51. 求过点(3, 0, -1)且与平面3x -7y +5z -12=0平行的平面方程.解所求平面的法线向量为n =(3, -7, 5), 所求平面的方程为 3(x -3)-7(y -0)+5(z +1)=0, 即3x -7y +5z -4=0.2. 求过点M 0(2, 9, -6)且与连接坐标原点及点M 0的线段OM 0垂直的平面方程.解所求平面的法线向量为n =(2, 9, -6), 所求平面的方程为 2(x -2)+9(y -9)-6(z -6)=0, 即2x +9y -6z -121=0. 3. 求过(1, 1, -1)、(-2, -2, 2)、(1, -1, 2)三点的平面方程. 解 n 1=(1, -1, 2)-(1, 1, -1)=(0, -2, 3), n 1=(1, -1, 2)-(-2, -2, 2)=(3, 1, 0), 所求平面的法线向量为k j i kj i n n n 69301332021++-=-=⨯=,所求平面的方程为-3(x -1)+9(y -1)+6(z +1)=0, 即x -3y -2z =0. 4. 指出下列各平面的特殊位置, 并画出各平面: (1)x =0;解 x =0是yOz 平面. (2)3y -1=0;解 3y -1=0是垂直于y 轴的平面, 它通过y 轴上的点)0 ,31 ,0(. (3)2x -3y -6=0;解 2x -3y -6=0是平行于z 轴的平面, 它在x 轴、y 轴上的截距分别是3和-2. (4)03=-y x ;解 03=-y x 是通过z 轴的平面, 它在xOy 面上的投影的斜率为33.(5)y +z =1;解 y +z =1是平行于x 轴的平面, 它在y 轴、z 轴上的截距均为1.(6)x -2z =0;解 x -2z =0是通过y 轴的平面. (7)6x +5-z =0.解 6x +5-z =0是通过原点的平面.5. 求平面2x -2y +z +5=0与各坐标面的夹角的余弦. 解此平面的法线向量为n =(2, -2, 1). 此平面与yOz 面的夹角的余弦为321)2(22||||) ,cos(cos 122^=+-+=⋅⋅==i n i n i n α;此平面与zOx 面的夹角的余弦为321)2(22||||) ,cos(cos 122^-=+-+-=⋅⋅==j n j n j n β; 此平面与xOy 面的夹角的余弦为311)2(21||||) ,cos(cos 122^=+-+=⋅⋅==k n k n k n γ.6. 一平面过点(1, 0, -1)且平行于向量a =(2, 1, 1)和b =(1, -1, 0), 试求这平面方程.解所求平面的法线向量可取为k j i kj i b a n 3011112-+=-=⨯=,所求平面的方程为(x -1)+(y -0)-3(z +1)=0, 即x +y -3z -4=0.7. 求三平面x +3y +z =1, 2x -y -z =0, -x +2y +2z =3的交点. 解解线性方程组 ⎪⎩⎪⎨⎧=++-=--=++3220213z y x z y x z y x得x =1, y =-1, z =3. 三个平面的交点的坐标为(1, -1, 3). 8. 分别按下列条件求平面方程: (1)平行于zOx 面且经过点(2, -5, 3);解所求平面的法线向量为j =(0, 1, 0), 于是所求的平面为 0⋅(x -2)-5(y +5)+0⋅(z -3)=0, 即y =-5. (2)通过z 轴和点(-3, 1, -2); 解所求平面可设为Ax +By =0. 因为点(-3, 1, -2)在此平面上, 所以 -3A +B =0, 将B =3A 代入所设方程得 Ax +3Ay =0, 所以所求的平面的方程为 x +3y =0,(3)平行于x 轴且经过两点(4, 0, -2)和(5, 1, 7).解所求平面的法线向量可设为n =(0, b , c ). 因为点(4, 0, -2)和(5, 1, 7)都在所求平面上, 所以向量n 1=(5, 1, 7)-(4, 0, -2)=(1, 1, 9)与n 是垂直的, 即 b +9c =0, b =-9c ,于是 n =(0, -9c , c )=-c (0, 9, -1). 所求平面的方程为9(y -0)-(z +2)=0, 即9y -z -2=0.9. 求点(1, 2, 1)到平面x +2y +2z -10=0的距离. 解点(1, 2, 1)到平面x +2y +2z -10=0的距离为 1221|1012221|222=++-⨯+⨯+=d .习题8-61. 求过点(4, -1, 3)且平行于直线51123-==-z y x 的直线方程.解所求直线的方向向量为s =(2, 1, 5), 所求的直线方程为531124-=+=-z y x .2. 求过两点M 1(3, -2, 1)和M 2(-1, 0, 2)的直线方程. 解所求直线的方向向量为s =(-1, 0, 2)-(3, -2, 1)=(-4, 2, 1),所求的直线方程为112243-=+=--x y x .3. 用对称式方程及参数方程表示直线⎩⎨⎧=++=+-421z y x z y x .解平面x -y +z =1和2x +y +z =4的法线向量为n 1=(1, -1, 1), n 2=(2, 1, 1), 所求直线的方向向量为k j i k j i n n s 3211211121++-=-=⨯=. 在方程组⎩⎨⎧=++=+-421z y x z y x 中, 令y =0, 得⎩⎨⎧=+=+421z x z x , 解得x =3, z =-2. 于是点(3, 0, -2)为所求直线上的点.所求直线的对称式方程为32123+==--z y x ; 参数方程为x =3-2t , y =t , z =-2+3t .4. 求过点(2, 0, -3)且与直线⎩⎨⎧=+-+=-+-012530742z y x z y x 垂直的平面方程.解所求平面的法线向量n 可取为已知直线的方向向量, 即k j i k j i n 111416253421)2 ,5 ,3()4 ,2 ,1(++-=--=-⨯-=. 所平面的方程为-16(x -2)+14(y -0)+11(z +3)=0,即 16x -14y -11z -65=0.5. 求直线⎩⎨⎧=+-=-+-02309335z y x z y x 与直线⎩⎨⎧=-++=+-+0188302322z y x z y x 的夹角的余弦.解两直线的方向向量分别为k j i k j i s -+=--=431233351, k j i k j i s 105101831222+-=-=. 两直线之间的夹角的余弦为||||) ,cos(2121^21s s s s s s ⋅⨯=010)5(10)1(4310)1()5(4103222222=+-+-++⨯-+-⨯+⨯=. 6. 证明直线⎩⎨⎧=++-=-+7272z y x z y x 与直线⎩⎨⎧=--=-+028363z y x z y x 平行. 解两直线的方向向量分别为k j i k j i s 531121211++=--=, k j i k j i s 15391123632---=---=. 因为s 2=-3s 1, 所以这两个直线是平行的.7. 求过点(0, 2, 4)且与两平面x +2z =1和y -3z =2平行的直线方程.解因为两平面的法线向量n 1=(1, 0, 2)与n 2=(0, 1, -3)不平行, 所以两平面相交于一直线, 此直线的方向向量可作为所求直线的方向向量s , 即k j i k j i s ++-=-=32310201. 所求直线的方程为14322-=-=-z y x . 8. 求过点(3, 1, -2)且通过直线12354z y x =+=-的平面方程. 解所求平面的法线向量与直线12354z y x =+=-的方向向量s 1=(5, 2, 1)垂直. 因为点(3, 1, -2)和(4, -3, 0)都在所求的平面上, 所以所求平面的法线向量与向量s 2=(4, -3, 0)-(3, 1, -2)=(1, -4, 2)也是垂直的. 因此所求平面的法线向量可取为k j i k j i s s n 229824112521--=-=⨯=. 所求平面的方程为8(x -3)-9(y -1)-22(z +2)=0,即 8x -9y -22z -59=0.9. 求直线⎩⎨⎧=--=++003z y x z y x 与平面x -y -z +1=0的夹角. 解已知直线的方向向量为)2(2242111311)1 ,1 ,1()3 ,1 ,1(k j i k j i k j i s -+=-+=--=--⨯=, 已知平面的法线向量为n =(1, -1, -1).因为s ⋅n =2⨯1+4⨯(-1)+(-2)⨯(-1)=0,所以s ⊥n , 从而直线⎩⎨⎧=--=++003z y x z y x 与平面x -y -z +1=0的夹角为0. 10. 试确定下列各组中的直线和平面间的关系:(1)37423z y x =-+=-+和4x -2y -2z =3; 解所给直线的方向向量为s =(-2, -7, 3), 所给平面的法线向量为n =(4, -2, -2).因为s ⋅n =(-2)⨯4+(-7)⨯(-2)+3⨯(-2)=0, 所以s ⊥n , 从而所给直线与所给平面平行. 又因为直线上的点(-3, -4, 0)不满足平面方程4x -2y -2z =3, 所以所给直线不在所给平面上.(2)723z y x =-=和3x -2y +7z =8; 解所给直线的方向向量为s =(3, -2, 7), 所给平面的法线向量为n =(3, -2, 7).因为s =n , 所以所给直线与所给平面是垂直的.(3)431232--=+=-z y x 和x +y +z =3. 解所给直线的方向向量为s =(3, 1, -4), 所给平面的法线向量为n =(1, 1, 1).因为s ⋅n =3⨯1+1⨯1+(-4)⨯1=0, 所以s ⊥n , 从而所给直线与所给平面平行. 又因为直线上的点(2, -2, 3)满足平面方程x +y +z =3, 所以所给直线在所给平面上.11. 求过点(1, 2, 1)而与两直线⎩⎨⎧=-+-=+-+01012z y x z y x 和⎩⎨⎧=+-=+-002z y x z y x 平行的平面的方程.解已知直线的方向向量分别为k j i k j i s 32111121)1 ,1 ,1()1 ,2 ,1(1--=--=-⨯-=, k j k j i s --=--=-⨯-=111112)1 ,1 ,1()1 ,1 ,2(1. 所求平面的法线向量可取为k j i k j i s s n -+-=----=⨯=11032121, 所求平面的方程为-(x -1)+(y -2)-(z -1)=0, 即x -y +z =0.12. 求点(-1, 2, 0)在平面x +2y -z +1=0上的投影.解平面的法线向量为n =(1, 2, -1). 过点(-1, 2, 0)并且垂直于已知平面的直线方程为12211-=-=+z y x . 将此方程化为参数方程x =-1+t , y =2+2t , z =-t , 代入平面方程x +2y -z +1=0中, 得(-1+t )+2(2+2t )-(-t )+1=0, 解得32-=t . 再将32-=t 代入直线的参数方程, 得35-=x , 32=y , 32=z . 于是点(-1, 2, 0)在平面x +2y -z +1=0上的投影为点)32 ,32 ,25(-. 13. 求点P (3, -1, 2)到直线⎩⎨⎧=-+-=+-+04201z y x z y x 的距离.解已知直线的方向向量为k j k j i s 33112111)1 ,1 ,2()1 ,1 ,1(--=--=-⨯-=. 过点P 且与已知直线垂直的平面的方程为-3(y +1)-3(z -2)=0, 即y +z -1=0.解线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-+=-+-=+-+0104201z y z y x z y x ,得x =1, 21-=y , 23=z . 点P (3, -1, 2)到直线⎩⎨⎧=-+-=+-+04201z y x z y x 的距离就是点P (3, -1, 2)与点)23 ,21 ,1(-间的距离, 即 223)232()211()13(22=-++-+-=d . 14. 设M 0是直线L 外一点, M 是直线L 上任意一点, 且直线的方向向量为s , 试证: 点M 0到直线L 的距离→||||0s s ⨯=M M d . 解设点M 0到直线L 的距离为d , L 的方向向量→=MN s , 根据向量积的几何意义, 以→M M 0和→MN 为邻边的平行四边形的面积为||||00s ⨯=⨯→→→M M MN M M ,又以→M M 0和→MN 为邻边的平行四边形的面积为||||s ⋅=⋅→d MN d . 因此 ||||0s s ⨯=⋅→M M d , ||||0s s ⨯=→M M d . 15. 求直线⎩⎨⎧=---=+-0923042z y x z y x 在平面4x -y +z =1上的投影直线的方程.解过已知直线的平面束方程为(2+3λ)x +(-4-λ)y +(1-2λ)z -9λ=0.为在平面束中找出与已知平面垂直的平面, 令(4 -1, 1)⋅(2+3λ, -4-λ, 1-2λ)=0,即 4⋅(2+3λ)+(-1)⋅(-4-λ)+1⋅(1-2λ)=0. 解之得1113-=λ. 将1113-=λ代入平面束方程中, 得 17x +31y -37z -117=0.故投影直线的方程为⎩⎨⎧=--+=+-011737311714z y x z y x . 16. 画出下列各曲面所围成的立体图形:(1)x =0, y =0, z =0, x =2, y =1, 3x +4y +2z -12=0;(2)x =0, z =0, x =1, y =2, 4y z =;(3)z =0, z =3, x -y =0, 03=-y x , x 2+y 2=1(在第一卦限内);(4)x =0, y =0, z =0, x 2+y 2=R 2, y 2+z 2=R 2(在第一卦限内).总习题八1. 填空(1)设在坐标系[O ; i , j , k ]中点A 和点M 的坐标依次为(x 0, y 0, z 0)和(x , y , z ), 则在[A ; i , j , k ] 坐标系中, 点M 的坐标为___________, 向量→OM 的坐标为___________.解 M (x -x 0, y -y 0, z -z 0), →) , ,(z y x OM =.提示: 自由向量与起点无关, 它在某一向量上的投影不会因起点的位置的不同而改变.(2)设数λ1、λ2、λ3不全为0, 使λ1a +λ2b +λ3c =0, 则a 、b 、c 三个向量是__________的. 解共面.(3)设a =(2, 1, 2), b =(4, -1, 10), c =b -λa , 且a ⊥c , 则λ=____________.解3.提示: 因为a ⊥c , 所以a ⋅c =0.又因为由a ⋅c =a ⋅b -λa ⋅a =2⨯4+1⨯(-1)+2⨯10-λ(22+12+22)=27-9λ, 所以λ=3.(4)设a 、b 、c 都是单位向量, 且满足a +b +c =0, 则a ⋅b +b ⋅c +c ⋅a =____________. 解 23-. 提示: 因为a +b +c =0, 所以(a +b +c )⋅(a +b +c )=0,即 a ⋅a +b ⋅b +c ⋅c +2a ⋅b +2a ⋅c +2c ⋅a =0,于是 23)111(21)(21-=++-=⋅+⋅+⋅-=⋅+⋅+⋅c c b b a a a c c b b a . (5)设|a |=3, |b |=4, |c |=5, 且满足a +b +c =0, 则|a ⨯b +b ⨯c +c ⨯a |=____________.解36.提示: c =-(a +b ),a ⨯b +b ⨯c +c ⨯a =a ⨯b -b ⨯(a +b )-(a +b )⨯a =a ⨯b -b ⨯a -b ⨯a =3a ⨯b ,|a ⨯b +b ⨯c +c ⨯a |=3|a ⨯b |=3|a |⋅|b |=3⋅3⋅4=36.2. 在y 轴上求与点A (1, -3, 7)和点B (5, 7, -5)等距离的点.解设所求点为M (0, y , 0), 则有12+(y +3)2+72=52+(y -7)2+(-5)2,即 (y +3)2=(y -7)2,解得y =2, 所求的点为M (0, 2, 0).3. 已知∆ABC 的顶点为A (3,2,-1)、B (5,-4,7)和C (-1,1,2), 求从顶点C 所引中线的长度. 解线段AB 的中点的坐标为)3 ,1 ,4()271 ,242 ,253(-=+--+. 所求中线的长度为 30)23()11()14(222=-+--++=d .4. 设∆ABC 的三边→a =BC 、→b =CA 、→c =AB , 三边中点依次为D 、E 、F , 试用向量a 、b 、c 表示→AD 、→BE 、→CF , 并证明→→→0=++CF BE AD .解 →→→a c 21+=+=BD AB AD , →→→b a 21+=+=CE BC BE , →→→c b 21+=+=AF CA CF . →→→0=+-=++=++)(23)(23c c c b a CF BE AD 5. 试用向量证明三角形两边中点的连线平行于第三边, 且其长度等于第三边长度的一半.证明设D , E 分别为AB , AC 的中点, 则有→→→→→)(21AB AC AD AE DE -=-=, →→→→→AB AC AC BA BC -=+=,所以 →→BC DE 21=, 从而DE //BC , 且||21||BC DE =. 6. 设|a +b |=|a -b |, a =(3, -5, 8), b =(-1, 1, z ), 求z .解a +b =(2, -4, 8+z ), a -b =(4, -6, 8-z ). 因为|a +b |=|a -b |, 所以222222)8()6(4)8()4(2z z -+-+=++-+,解得z =1.7. 设3||=a , |b |=1, 6) ,(^π=b a , 求向量a +b 与a -b 的夹角. 解 |a +b |2=(a +b )⋅(a +b )=|a |2+|b |2+2a ⋅b =|a |2+|b |2+2|a |⋅|b |cos(a ,^ b )76cos 3213=++=π, |a -b |2=(a -b )⋅(a -b )=|a |2+|b |2-2a ⋅b =|a |2+|b |2-2|a |⋅|b |cos(a ,^ b )16cos 3213=-+=π. 设向量a +b 与a -b 的夹角为θ, 则721713||||||||||||)()(cos 22=⋅-=-⋅+-=-⋅+-⋅+=b a b a b a b a b a b a b a θ,72arccos =θ. 8. 设a +3b ⊥7a -5b , a -4b ⊥7a -2b , 求) ,(^b a .解因为a +3b ⊥7a -5b , a -4b ⊥7a -2b ,所以 (a +3b )⋅(7a -5b )=0, (a -4b )⋅(7a -2b )=0,即 7|a |2+16a ⋅b -15|b |2 =0, 7|a |2-30a ⋅b +8|b |2 =0,又以上两式可得b a b a ⋅==2||||,于是 21||||) ,cos(^=⋅⋅=b a b a b a , 3) ,(^π=b a . 9. 设a =(2, -1, -2), b =(1, 1, z ), 问z 为何值时) ,(^b a 最小？并求出此最小值.解 2^2321||||) ,cos(z z +-=⋅⋅=b a b a b a . 因为当2) ,(0^π<<b a 时, ) ,cos(^b a 为单调减函数. 求) ,(^b a 的最小值也就是求22321)(z z z f +-=的最大值.令0)2(431)(2/32=+--⋅='z z z f , 得z =-4. 当z =-4时, 22) ,cos(^=b a , 所以422arccos ) ,(min ^π==b a .10. 设|a |=4, |b |=3, 6) ,(^π=b a , 求以a +2b 和a -3b 为边的平行四边形的面积. 解 (a +2b )⨯(a -3b )=-3a ⨯b +2b ⨯a =5b ⨯a .以a +2b 和a -3b 为边的平行四边形的面积为3021435) ,sin(||||5||5|)3()2(|^=⋅⋅⋅=⋅=⨯=-⨯+b a a b a b b a b a . 11. 设a =(2, -3, 1), b =(1, -2, 3), c =(2, 1, 2), 向量r 满足r ⊥a , r ⊥b , Prj c r =14, 求r . 解设r =(x , y , z ).因为r ⊥a , r ⊥b , 所以r ⋅a =0, r ⋅b =0, 即2x -3y +z =0, x -2y +3z =0.又因为Prj c r =14, 所以14||1=⋅c c r , 即 2x +y +2z =42.解线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=+-=+-4222032032z y x z y x z y x ,得x =14, y =10, z =2, 所以r =(14, 10, 2).另解因为r ⊥a , r ⊥b , 所以r 与k j i k j i b a ---=--=⨯57321132平行, 故可设r =λ(7, 5, 1). 又因为Prj c r =14, 所以14||1=⋅c c r , r ⋅c =42, 即 λ(7⨯2+5⨯1+1⨯2)=42, λ=2,所以r =(14, 10, 2).12. 设a =(-1, 3, 2), b =(2, -3, -4), c =(-3, 12, 6), 证明三向量a 、b 、c 共面, 并用a 和b 表示c .证明向量a 、b 、c 共面的充要条件是(a ⨯b )⋅c =0. 因为k i k j i b a 36432231--=---=⨯, (a ⨯b )⋅c =(-6)⨯(-3)+0⨯12+(-3)⨯6=0,所以向量a 、b 、c 共面.设c =λa +μb , 则有(-λ+2μ, 3λ-3μ, 2λ-4μ)=(-3, 12, 6),即有方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-=--=+-642123332μλμλμλ,解之得λ=5, μ=1, 所以c =5a +b .13. 已知动点M (x ,y ,z )到xOy 平面的距离与点M 到点(1, -1, 2)的距离相等, 求点M 的轨迹方程.解根据题意, 有222)2()1()1(||-+++-=z y x z ,或 z 2=(x -1)2+(y +1)2+(z -2)2,化简得(x -1)2+(y +1)2=4(z -1),这就是点M 的轨迹方程.14. 指出下列旋转曲面的一条母线和旋转轴:(1)z =2(x 2+y 2);解旋转曲面的一条母线为zOx 面上的曲线z =2x 2, 旋转轴为z 轴.(2)136936222=++z y x ; 解旋转曲面的一条母线为xOy 面上的曲线193622=+y x , 旋转轴为y 轴. (3)z 2=3(x 2+y 2);解旋转曲面的一条母线为yOz 面上的曲线y z 3=, 旋转轴为z 轴.(4)144222=--z y x . 解旋转曲面的一条母线为xOy 面上的曲线1422=-y x , 旋转轴为x 轴.15. 求通过点A (3, 0, 0)和B (0, 0, 1)且与xOy 面成3π角的平面的方程. 解设所求平面的法线向量为n =(a , b , c ).→)1 ,0 ,3(-=BA , xOy 面的法线向量为k =(0, 0, 1).按要求有→0=⋅BA n , 3cos ||||π=⋅⋅k n k n , 即 ⎪⎩⎪⎨⎧=++=-2103222c b a c c a ,解之得c =3a , a b 26±=. 于是所求的平面的方程为0326)3(=+±-z y x ,即 3326=++z y x , 或3326=+-z y x .16. 设一平面垂直于平面z =0, 并通过从点(1, -1, 1)到直线⎩⎨⎧==+-001x z y 的垂线, 求此平面方程.解直线⎩⎨⎧==+-001x z y 的方向向量为s =(0, 1, -1)⨯(1, 0, 0)=(0, -1, -1).设点(1, -1, 1)到直线⎩⎨⎧==+-001x z y 的垂线交于点(x 0, y 0, z 0). 因为点(x 0, y 0, z 0)在直线⎩⎨⎧==+-001x z y 上, 所以(x 0, y 0, z 0)=(0, y 0, y 0+1). 于是, 垂线的方向向量为 s 1=(-1, y 0+1, y 0).显然有s ⋅s 1=0, 即-y 0-1-y 0=0, 210-=y . 从而)21 ,21 ,1() ,1 ,1(001--=+-=y y s . 所求平面的法线向量可取为j i k j i k s k n --=-+-⨯=⨯=21)2121(1, 所求平面的方程为0)1()1(21=+---y x , 即x +2y +1=017. 求过点(-1, 0, 4), 且平行于平面3x -4y +z -10=0, 又与直线21311z y x =-=+相交的直线的方程.解过点(-1, 0, 4), 且平行于平面3x -4y +z -10=0的平面的方程为3(x +1)-4(y -0)+(z -4)=0, 即3x -4y +z -1=0.将直线21311z y x =-=+化为参数方程x =-1+t , y =3+t , z =2t , 代入平面方程3x -4y +z -1=0, 得3(-1+t )-4(3+t )+2t -1=0,解得t =16. 于是平面3x -4y +z -1=0与直线21311z y x =-=+的交点的坐标为(15, 19, 32), 这也是所求直线与已知直线的交点的坐标.所求直线的方向向量为s =(15, 19, 32)-(-1, 0, 4)=(16, 19, 28),所求直线的方程为28419161-==+z y x . 18. 已知点A (1, 0, 0)及点B (0, 2, 1), 试在z 轴上求一点C , 使∆ABC 的面积最小. 解设所求的点为C (0, 0, z ), 则→) ,0 ,1(z AC -=, →)1 ,2 ,0(--=z BC .因为 →→k j i k j i 2)1(212001+-+=---=⨯z z z z BC AC , 所以∆ABC 的面积为→→4)1(421||2122+-+=⨯=z z BC AC S . 令04)1(4)1(284122=+-+-+⋅=z z z z dz dS , 得51=z , 所求点为)51 ,0 ,0(C . 19. 求曲线⎩⎨⎧-+-=--=2222)1()1(2y x z y x z 在三个坐标面上的投影曲线的方程. 解在xOy 面上的投影曲线方程为⎩⎨⎧=--=-+-02)1()1(2222z y x y x , 即⎩⎨⎧=+=+022z y x y x . 在zOx 面上的投影曲线方程为⎩⎨⎧=---±+-=0)12()1(222y z x x z , 即⎩⎨⎧==+--++002342222y z x z xz x . 在yOz 面上的投影曲线方程为⎩⎨⎧=-+---±=0)1()12(222x y z y z , 即⎩⎨⎧==+--++002342222x z y z yz y . 20. 求锥面22y x z +=与柱面z 2=2x 所围立体在三个坐标面上的投影.解锥面与柱面交线在xOy 面上的投影为⎩⎨⎧=+=0222z y x x , 即⎩⎨⎧==+-01)1(22z y x , 所以, 立体在xOy 面上的投影为⎩⎨⎧=≤+-01)1(22z y x . 锥面与柱面交线在yOz 面上的投影为⎪⎩⎪⎨⎧=+=0)21(222x y z z , 即⎪⎩⎪⎨⎧==+-01)22(222x y z , 所以, 立体在yOz 面上的投影为⎪⎩⎪⎨⎧=≤+-01)22(222x y z .锥面22y x z +=与柱面z 2=2x 与平面y =0的交线为⎩⎨⎧==0||y x z 和⎩⎨⎧==02y x z , 所以, 立体在zOx 面上的投影为⎩⎨⎧=≤≤02y x z x . 21. 画出下列各曲面所围立体的图形:(1)抛物柱面2y 2=x , 平面z =0及1224===z y x ;(2)抛物柱面x 2=1-z , 平面y =0, z =0及x +y =1;(3)圆锥面22y x z +=及旋转抛物面z =2-x 2-y 2;(4)旋转抛物面x 2+y 2=z , 柱面y 2=x , 平面z =0及x =1.习题9-11. 判定下列平面点集中哪些是开集、闭集、区域、有界集、无界集？并分别指出它们的聚点所成的点集(称为导集)和边界.(1){(x , y )|x ≠0, y ≠0};解开集, 无界集, 导集为R 2,边界为 {(x , y )|x =0或y =0}.(2){(x , y )|1<x 2+y 2≤4};解既非开集, 又非闭集, 有界集,导集为 {(x , y )|1≤x 2+y 2≤4},边界为 {(x , y )|x 2+y 2=1或x 2+y 2=4}.(3){(x , y )|y >x 2};解开集, 区域, 无界集,导集为 {(x , y )| y ≥x 2},边界为 {(x , y )| y =x 2}.(4){(x , y )|x 2+(y -1)2≥1}⋂{(x , y )|x 2+(y -2)2≤4}.解闭集, 有界集, 导集与集合本身相同,边界为 {(x , y )|x 2+(y -1)2=1}⋃{(x , y )|x 2+(y -2)2=4}.2. 已知函数yx xy y x y x f tan ),(22-+=, 试求f (tx , ty ).解 )(tan )()()()(),(22tytx ty tx ty tx ty tx f ⋅⋅-+= ),()tan (2222y x f t yx xy y x t =-+=. 3. 试证函数F (x , y )=ln x ⋅ln y 满足关系式:F (xy , uv )=F (x , u )+F (x , v )+F (y , u )+F (y , v ).证明 F (xy , uv )=ln((x , y )⋅ln(uv )=(ln x +ln y )(ln u +ln v )=ln x ⋅ln u +ln x ⋅ln v +ln y ⋅ln u +ln y ⋅ln v =F (x , u )+F (x , v )+F (y , u )+F (y , v ). 4. 已知函数f (u , v , w )=u w +w u +v , 试求f (x +y , x -y , xy ). 解 f (x +y , x -y , xy )=(x +y )xy +(xy )(x +y )+(x -y )=(x +y )xy +(xy )2x .5. 求下列各函数的定义域:(1)z =ln(y 2-2x +1);解要使函数有意义, 必须y 2-2x +1>0,故函数的定义域为D ={(x , y )|y 2-2x +1>0}.(2)yx y x z -++=11; 解要使函数有意义, 必须x +y >0, x -y >0,故函数的定义域为D ={(x , y )|x +y >0, x -y >0}.(3)y x z -=;解要使函数有意义, 必须y ≥0,0≥-y x 即y x ≥,于是有 x ≥0且x 2≥y ,故函数定义域为D ={(x , y )| x ≥0, y ≥0, x 2≥y }.(4)221)ln(yx x x y z --+-=; 解要使函数有意义, 必须y -x >0, x ≥0, 1-x 2-y 2>0,故函数的定义域为D ={(x , y )| y -x >0, x ≥0, x 2+y 2<1}.(5)222222221rz y x z y x R u -+++---=(R >r >0); 解要使函数有意义, 必须R 2-x 2-y 2-z 2≥0且x 2+y 2+z 2-r 2>0, 故函数的定义域为D ={(x , y , z )| r 2<x 2+y 2+z 2≤R 2}.(6)22arccos yx z u +=. 解要使函数有意义, 必须x 2+y 2≠0, 且1||22≤+y x z 即z 2≤x 2+y 2,故函数定义域为D ={(x , y , z )|z 2≤x 2+y 2, x 2+y 2≠0}.6. 求下列各极限:(1)22)1,0(),(1limy x xy y x +-→; 解 110011lim22)1,0(),(=+-=+-→y x xy y x . (2)22)0,1(),()ln(lim yx e x y y x ++→; 解 2ln 01)1ln()ln(lim 22022)0,1(),(=++=++→e y x e x y y x . (3)xyxy y x 42lim )0,0(),(+-→; 解 xy xy y x 42lim )0,0(),(+-→)42()42)(42(lim )0,0(),(+++++-=→xy xy xy xy y x 41)42(1lim)0,0(),(-=++-=→xy y x . (4)11lim )0,0(),(-+→xy xy y x ; 解 11lim )0,0(),(-+→xy xy y x )11)(11()11(lim )0,0(),(-+++++=→xy xy xy xy y x 2)11lim )11(lim )0,0(),()0,0(),(=++=++=→→xy xyxy xy y x y x . (5)y xy y x )sin(lim )0,2(),(→;解 y xy y x )sin(lim)0,2(),(→221sin lim )0,2(),(=⋅=⋅=→x xy xyy x .(6)22)()cos(1lim 2222)0,0(),(yx y x e y x y x ++-→. 解 2222)()(21lim )()cos(1lim 22222)0,0(),(2222)0,0(),(yx y x y x y x e y x y x e y x y x ++=++-→→ 0lim 212222)0,0(),(=+=→y x y x e y x (用等价无穷小代换). 7. 证明下列极限不存在: (1)yx yx y x -+→)0,0(),(lim;证明如果动点p (x , y )沿y =0趋向(0, 0), 则1lim lim00 )0,0(),(==-+→=→x x y x yx x y y x ;如果动点p (x , y )沿x =0趋向(0, 0), 则1lim lim 00 )0,0(),(-=-=-+→=→y yy x y x y x y x .因此, 极限yx yx y x -+→)0,0(),(lim 不存在.。

同济第六版高数答案(高等数学课后习题解答)1

习题8-31. 求下列函数的全微分: (1)yx xy z +=;解 dy y z dx x z dz ∂∂+∂∂=dy y x x dx y y )()1(2-++=.(2)xy e z =;解 xdy e x dx e x y dy y z dx x z dz y x y 12+-=∂∂+∂∂=.(3) 22y x yz +=;解因为2/3222322)()(21y x xy y x y x z +-=+-=∂∂-, 2/3222222222)(y x x y x y x yy y x y z +=++⋅-+=∂∂, 所以 dy y x x dx y x xy dz 2/32222/322)()(+++-=)()(2/322xdy ydx y x x -+-=.(4)u =x yz . 解因为1-⋅=∂∂yz x yz x u , x zx yu yz ln =∂∂, x yx z u yz ln =∂∂,所以 xdz yx xdy zx dx yzx du yz yz yz ln ln 1++=-.2. 求函数z =ln(1+x 2+y 2)当x =1, y =2时的全微分. 解因为2212y x x x z ++=∂∂, 2212y x y y z ++=∂∂, 3121=∂∂==y x xz, 3221=∂∂==y x y z , 所以 dy dx dz y x 323121⋅+===.3. 求函数xyz =当x =2, y =1, ∆x =0.1, ∆y =-0.2时的全增量和全微分.解因为xy x x y y z -∆+∆+=∆, y x x x ydz ∆+∆-=12, 所以, 当x =2, y =1, ∆x =0.1, ∆y =-0.2时,119.0211.02)2.0(1-=-+-+=∆z , 125.0)2.0(211.041-=-⨯+⨯-=dz .4. 求函数z =e xy 当x =1, y =1, ∆x =0.15, ∆y =0.1时的全微分. 解因为y xe x ye y yz x x z dz xy xy ∆+∆=∆∂∂+∆∂∂=所以, 当x =1, y =1, ∆x =0.15, ∆y =0.1时, e e e dz 25.01.015.0=⋅+⋅=.*5. 计算33)97.1()102(+的近似值. 解设33y x z +=, 由于y yz x x z y x y y x x ∆∂∂+∆∂∂++≈∆++∆+3333)()(332233233yx y y x x y x +∆+∆++=,所以取x =1, y =2, ∆x =0.02, ∆y =-0.03可得95.2212)03.0(2302.0321)97.1()02.1(32333=+-⋅⋅+⋅++≈+. *6. 计算(1.97)1.05的近似值(ln2=0.693). 解设z =x y , 由于y yz x x z x x x y y y ∆∂∂+∆∂∂+≈∆+∆+)(y x x x yx x y y y ∆+∆+=-ln 1,所以取x =2, y =1, ∆x =-0.03, ∆y =0.05可得(1.97)1.05≈2-0.03+2ln2⋅0.05+1.97+0.0693 ≈2.093.*7( 已知边长为x(6m 与y(8m 的矩形( 如果x 边增加5cm 而y 边减少10cm(问这个矩形的对角线的近似变化怎样？解矩形的对角线为22y x z +=,)(122y y x x yx y dy dz x dx dz dz z ∆+∆+=∆+∆=≈∆,当x =6, y =8, ∆x =0.05, ∆y =-0.1时,05.0)1.0805.06(86122-=⋅-⋅+≈∆z .这个矩形的对角线大约减少5cm .*8. 设有一无盖圆柱形容器, 容器的壁与底的厚度均为0.1cm , 内高为20cm ,内半径为4厘米, 求容器外壳体积的近似值. 解圆柱体的体积公式为V =πR 2h , ∆V ≈dV =2πRh ∆R +πR 2∆h , 当R =4, h =20, ∆R =∆h =0.1时,∆V ≈2⨯3.14⨯4⨯20⨯0.1+3.14⨯42⨯0.1≈55.3(cm 3), 这个容器外壳的体积大约是55.3cm 3.*9. 设有直角三角形, 测得其两腰的长分别为7±0.1cm 和24±0.1cm , 试求利用上述二值来计算斜边长度时的绝对误差. 解设两直角边的长度分别为x 和y , 则斜边的长度为22y x z +=.||||||||||||y y z x x z dz z ∆⋅∂∂+∆⋅∂∂≤≈∆|)|||(122y y x x yx ∆+∆+=.令x =7, y =24, |∆x |≤0.1, |∆y |≤0.1, 则得斜边长度z 的绝对误差约为124.0)1.0241.07(247122=⋅+⋅+=z δcm .*10. 测得一块三角形土地的两边长分别为63±0.1m 和78±0.1m ,这两边的夹角为60︒±1︒, 试求三角形面积的近似值, 并求其绝对误差和相对误差.解设三角形的两边长为x 和y , 它们的夹角z , 为则三角形面积为z xy s sin 21=.zdz xy zdy x zdx y dS cos 21sin 21sin 21++=||cos 21||sin 21||sin 21||||dz z xy dy z x dx z y dS S ++≤≈∆.令x =63, y =78, 3π=z , |dx |=0.1, |dy |=0.1, 180π=dz , 则55.2718021278631.0232631.023278=⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯≈πδs ,82.21273sin 786321=⋅⋅⋅=πS ,%29.182.212755.27==S s δ,所以三角形面积的近似值为2127.82m 2, 绝对误差为27.55m 2, 相对误差为1.29%.*11. 利用全微分证明: 两数之和的绝对误差等于它们各自的绝对误差之和.证明设u =x +y , 则||||||||||||y x y x y yu x x u du u ∆+∆≤∆+∆=∆∂∂+∆∂∂=≈∆.所以两数之和的绝对误差|∆u |等于它们各自的绝对误差|∆x |与|∆y |的和.*12. 利用全微分证明: 乘积的相对误差等于各因子的相对误差之和; 商的相对误差等于被除数及除数的相对误差之和. 证明设u =xy , y x v =, 则∆u ≈du =ydx +xdy ,2yxdyydx dv v -=≈∆, 由此可得相对误差;||||||||y dy x dx xy xdy ydx u du u u +=+=≈∆||||||||yyx x y dy x dx ∆+∆=+≤;||||||||2y dy x dx yx y xdy ydx v dv v v -=⋅-==∆||||||||y yx x y dy x dx ∆+∆=+≤.习题8-41. 设z =u 2-v 2, 而u =x +y , v =x -y , 求x z ∂∂, y z ∂∂.解 xv v z x u u z x z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂=2u ⋅1+2v ⋅1=2(u +v )=4x ,y v v z y u u z y z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂=2u ⋅1+2v ⋅(-1)=2(u -v )=4y .2. 设z =u 2ln v , 而y x u =, v =3x -2y , 求x z ∂∂, y z ∂∂.解 xv v z x u u z x z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂31ln 22⋅+⋅=v u y v u 222)23(3)23ln(2y y x x y x y x -+-=, yv v z y u u z y z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂)2()(ln 222-+-⋅=v u y x v u 2232)23(2)23ln(2yy x x y x y x ----=. 3. 设z =e x -2y , 而x =sin t , y =t 3, 求dtdz .解 dtdyy z dt dx x z dt dz ⋅∂∂+⋅∂∂=2223)2(cos t e t e y x y x ⋅-⋅+=--)6(cos )6(cos 22sin 223t t e t t e t t y x -=-=--.4. 设z =arcsin(x - y ), 而x +3t , y =4t 3, 求dtdz .解 dt dy y z dt dx x z dt dz ⋅∂∂+⋅∂∂=22212)(113)(11t y x y x ⋅---+⋅--= 232)43(1)41(3t t t ---=. 5. 设z =arctan(xy ), 而y =e x , 求dxdz .解 dx dy y z x z dx dz ⋅∂∂+∂∂=xxxe x x e e y x x y x y 2222221)1(11++=⋅+++=.6. 设1)(2+-=a z y e u ax , 而y =a sin x , z =cos x , 求dxdu .解 dxdz dz u dx dyy u x u dx du ⋅∂+⋅∂∂+∂∂=)sin (1cos 11)(222x a e x a a e a z y ae ax ax ax -⋅+-⋅+++-= )sin cos cos sin (122x x a x a x a a e ax ++-+=x e ax sin =. 7. 设yx z arctan =, 而x =u +v , y =u -v , 验证22v u v uv z u z +-=∂∂+∂∂. 证明 )()(v yy z v x x z u y y z u x x z v z u z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂+∂∂)()(111)(11222y x yx y y x -⋅++⋅+=)1()()(111)(11222-⋅-⋅++⋅++y x yx y y x22222v u v u y x y +-=+=. 8. 求下列函数的一阶偏导数(其中f 具有一阶连续偏导数): (1) u =f (x 2-y 2, e xy );解将两个中间变量按顺序编为1, 2号, 2122212)()(f ye f x xe f x y x f x u xy xy '+'=∂∂⋅'+∂-∂⋅'=∂∂, 212)2212)((f xe f y ye f y y x f y u xy xy '+'-=∂∂⋅'+∂-∂⋅'=∂∂. (2)) ,(zyy x f u =;解 1211)()(f y z yx f y x x f x u '=∂∂⋅'+∂∂⋅'=∂∂,)()(21z yy f y x y f y u ∂∂⋅'+∂∂'=∂∂2121f z f y x '+'-=,)()(21z y z f z x z f z u ∂∂⋅'+∂∂'=∂∂22f z y '⋅-=. (3) u =f (x , xy , xyz ).解 yz f y f f xu ⋅'+⋅'+⋅'=∂∂3211321f yz f y f '+'+'=,3232f xz f x xz f x f y u '+'=⋅'+⋅'=∂∂,33f xy xy f zu '=⋅'=∂∂.9. 设z =xy +xF (u ), 而xyu =, F (u )为可导函数, 证明xy z yz y x z x +=∂∂+∂∂⋅. 证明 y z y x z x ∂∂⋅+∂∂⋅])([])()([y u u F x x y x u u F x u F y x ∂∂'+⋅+∂∂'++=)]([)]()([u F x y u F xyu F y x '+⋅+'-+==xy +xF (u )+xy =z +xy .10. 设)(22y x f yz -=, 其中f (u )为可导函数, 验证 211y z y z y x z x =∂∂+∂∂.证明 ()()u f f xy u f x f y x z 2222'-=⋅'⋅-=∂∂, ()()u f f y u f u f y f y u f y z 2222)(1)2()('-+=-⋅'⋅-=∂∂, 所以 )(11221122u f y u f f y u f f y y z y x z x ⋅+'+'-=∂∂⋅+∂∂⋅211yz zy y =⋅.11. 设z =f (x 2+y 2), 其中f 具有二阶导数, 求22x z ∂∂, y x z ∂∂∂2, 22y z ∂∂.解令u =x 2+y 2, 则z =f (u ), f x xu u f x z '=∂∂'=∂∂2)(,f y yu u f y z '=∂∂'=∂∂2)(,f x f x u f x f x z ''+'=∂∂⋅''+'=∂∂2224222,f xy yu f x y x z ''=∂∂⋅''=∂∂∂422,f y f yu f y f y z ''+'=∂∂⋅''+'=∂∂422222. 12. 求下列函数的22x z ∂∂,y x z ∂∂∂2,22yz ∂∂(其中f 具有二阶连续偏导数): (1) z =f (xy , y );解令u =xy , v =y , 则z =f (u , v ).ufy v f y u f x v v f x u u f x z ∂∂=⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂0,vfu f x v f x u f y v v f y u u f y z ∂∂+∂∂=⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂1.因为f (u , v )是u 和v 的函数, 所以u f∂∂和vf ∂∂也是u 和v 的函数, 从而u f∂∂和vf ∂∂是以u 和v 为中间变量的x 和y 的函数. )()()(22uf x y u f y x x z x x z ∂∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂222222222)0()(u f y v u f y u f y x v v u f x u u f y ∂∂=⋅∂∂∂+⋅∂∂=∂∂⋅∂∂∂+∂∂⋅∂∂=,)(1)()(2uf y y u f u f y y x z y y x z ∂∂∂∂+∂∂⋅=∂∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂∂ )(222yvv u f y u u f y u f ∂∂⋅∂∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂= v u fy u f xy u f v u f x u f y u f ∂∂∂+∂∂+∂∂=⋅∂∂∂+⋅∂∂+∂∂=222222)1(,)()()()(22vf y u f y x v f u f x y y z y y z∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂+∂∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂ y vv f y u u v f y v v u f y u u f x ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂∂+∂∂⋅∂∂∂+∂∂⋅∂∂=222222)( 1)1(222222⋅∂∂+⋅∂∂∂+⋅∂∂∂+⋅∂∂=vfx u v f v u f x u f x2222222vfv u f x u f x ∂∂+∂∂∂+∂∂=. (2)) ,(yx x f z =;解令u =x ,yx v =, 则z =f (u , v ).v fy u f x v v f dx du u f x z ∂∂⋅+∂∂=∂∂⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂1,vfy x dy dv v f y z ∂∂⋅-=⋅∂∂=∂∂2.因为f (u , v )是u 和v 的函数, 所以u f∂∂和vf ∂∂也是u 和v 的函数, 从而u f∂∂和vf ∂∂是以u 和v 为中间变量的x 和y 的函数. )(1)()1()(22v f x y u f x v f y u f x x z x x z ∂∂∂∂⋅+∂∂∂∂=∂∂⋅+∂∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂ )(1)(222222xvv f dx du u v f y x v v u f dx du u f ∂∂⋅∂∂+⋅∂∂∂+∂∂⋅∂∂∂+⋅∂∂=22222212vfy v u f y u f ∂∂⋅+∂∂∂⋅+∂∂=,)1()(2vf y u f y x z y y x z ∂∂⋅+∂∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂∂)(1)1()(v f y y v f y dy d u f y ∂∂∂∂⋅+∂∂⋅+∂∂∂∂= y vv f y v f y y v v u f ∂∂⋅∂∂⋅+∂∂⋅-∂∂⋅∂∂∂=22211 2232221vf y x v f y v u f y x ∂∂⋅-∂∂⋅-∂∂∂⋅-= )()()(2222vf y y x v f y x y y z y y z∂∂∂∂⋅-∂∂⋅-∂∂=∂∂∂∂=∂∂22423222322v f y x v f y x y v v f y x v f y x ∂∂⋅+∂∂⋅=∂∂⋅∂∂⋅-∂∂⋅=. (3) z =f (xy 2, x 2y );解 z x =f 1'⋅y 2+f 2'⋅2xy =y 2f 1'+2xyf 2', z y =f 1'⋅2xy +f 2'⋅x 2=2xyf 1'+x 2f 2';z xx =y 2[f 11''⋅y 2+f 12''⋅2xy ]+2yf 2''+2xy [f 21''⋅y 2+f 22''⋅2xy ] =y 4f 11''+2xy 3f 12''+2yf 2''+2xy 3f 21''+4x 2y 2 f 22'' =y 4f 11''+4xy 3f 12''+2yf 2''+4x 2y 2 f 22'',z xy =2y f 1'+y 2[f 11''⋅2xy +f 12''⋅x 2]+2xf 2'+2xy [f 21''⋅2xy +f 22''⋅x 2] =2y f 1'+2xy 3f 11''+x 2y 2 f 12''+2xf 2'+4x 2y 2f 21''+2x 3yf 22'' =2y f 1'+2xy 3f 11''+5x 2y 2 f 12''+2xf 2'+2x 3yf 22'', z yy =2xf 1'+2xy [f 11''⋅2xy +f 12''⋅x 2]+x 2[f 21''⋅2xy +f 22''⋅x 2] =2xf 1'+4x 2y 2f 11''+2x 3y f 12''+2x 3yf 21''+x 4f 22'' =2xf 1'+4x 2y 2f 11''+4x 3y f 12''+x 4f 22''. (4) z =f (sin x , cos y , e x +y ).解 z x =f 1'⋅cos x + f 3'⋅e x +y =cos x f 1'+e x +y f 3', z y =f 2'⋅(-sin y )+ f 3'⋅e x +y =-sin y f 2'+e x +y f 3', z xx =-sin x f 1'+cos x ⋅(f 11''⋅cos x + f 13''⋅e x +y ) +e x +y f 3'+e x +y (f 31''⋅cos x + f 33''⋅e x +y ) =-sin x f 1'+cos 2x f 11''+e x +y cos x f 13''+e x +y f 3' +e x +y cos x f 31''+e 2(x +y ) f 33''=-sin x f 1'+cos 2x f 11''+2e x +y cos x f 13''+e x +y f 3'+e 2(x +y ) f 33'', z xy =cos x [f 12''⋅(-sin y )+ f 13''⋅e x +y ] +e x +y f 3'+e x +y [f 32''⋅(-sin y )+ f 33''⋅e x +y ] =-sin y cos x f 12''+e x +y cos x f 13' +e x +y f 3'-e x +y sin y f 32'+e 2(x +y )f 33' =-sin y cos x f 12''+e x +y cos x f 13'' +e x +y f 3'-e x +y sin y f 32''+e 2(x +y )f 33'',z yy =-cos y f 2'-sin y [f 22''⋅(-sin y )+ f 23''⋅e x +y ] +e x +y f 3'+e x +y [f 32''⋅(-sin y )+ f 33''⋅e x +y ] =-cos y f 2'+sin 2y f 22''-e x +y sin y f 23'' +e x +y f 3'-e x +y sin y f 32''+ f 33''⋅e 2(x +y )=-cos y f 2'+sin 2y f 22''-2e x +y sin y f 23''+e x +y f 3'+f 33''⋅e 2(x +y ). 13. 设u =f (x , y )的所有二阶偏导数连续, 而23t s x -=,23t s y +=, 证明2222)()()()(t u s u y u x u ∂∂+∂∂=∂∂+∂∂及22222222t u s u y u x u ∂∂+∂∂=∂∂+∂∂.证明因为y u x u s yy u s x x u s u ∂∂⋅+∂∂⋅=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂2321yu x u t yy u t x x u t u ∂∂⋅+∂∂⋅-=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂2123所以2222)2123()2321()()(y u x u y u x u t u s u ∂∂+∂∂-+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂22)()(y u x u ∂∂+∂∂=. 又因为)2321()(22yu x u s s u s s u∂∂⋅+∂∂⋅∂∂=∂∂∂∂=∂∂ )(23)(21222222s y y u s x x y u s y y x u s x x u ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂∂+∂∂⋅∂∂∂+∂∂⋅∂∂= )2321(23)2321(21222222y u x y u y x u x u ∂∂⋅+∂∂∂⋅+∂∂∂⋅+∂∂⋅= 22222432341yu y x u x u ∂∂⋅+∂∂∂⋅+∂∂⋅=,)2123()(22yu x u t t u t t u∂∂⋅+∂∂⋅-∂∂=∂∂∂∂=∂∂ )(21)(23222222t y y u t x x y u t y y x u t x x u ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂∂+∂∂⋅∂∂∂+∂∂⋅∂∂-= )2123(21)2123(23222222y u x y u y x u x u ∂∂⋅+∂∂∂⋅-+∂∂∂⋅+∂∂⋅--= 22222412343y u y x u x u ∂∂⋅+∂∂∂⋅-∂∂⋅=, 所以 22222222yu x u t u s u ∂∂+∂∂=∂∂+∂∂.习题8-51. 设sin y +e x -xy 2=0, 求dxdy . 解令F (x , y )=sin y +e x -xy 2, 则F x =e x -y 2, F y =cos y -2xy ,xyy e y xy y y e F F dx dy xy x 2cos 2cos 222--=---=-=. 2. 设x y y x arctan ln 22=+, 求dxdy .解令xyy x y x F arctan ln ),(22-+=, 则22222222)()(11221y x y x x y xy y x x y x F x ++=-⋅+-+⋅+=,22222221)(11221y x x y x xy y x y y x F y +-=⋅+-+⋅+=, yx y x F F dx dyy x -+=-=. 3. 设022=-++xyz z y x , 求x z ∂∂及y z ∂∂.解令xyz z y x z y x F 22),,(-++=, 则 xyz yz F x -=1, xyzxz F y -=2, xyz xyF z -=1, xy xyz xyz yz F F x z z x --=-=∂∂, xy xyz xyz xz F F y z z y --=-=∂∂2. 4. 设y z z x ln =, 求x z ∂∂及y z ∂∂,解令yz z x z y x F ln ),,(-=, 则 z F x 1=, y y z y z F y 1)(12=-⋅-=, 2211z z x y yz z x F z +-=⋅--=, 所以 z x z F F x z z x +=-=∂∂, )(2z x y z F F yz z y +=-=∂∂.5. 设2sin(x +2y -3z )=x +2y -3z , 证明1=∂∂+∂∂y z x z证明设F (x , y , z )=2sin(x +2y -3z )-x -2y +3z , 则 F x =2cos(x +2y -3z )-1, F y =2cos(x +2y -3z )⋅2-2=2F x , F z =2cos(x +2y -3z )⋅(-3)+3=-3F x ,313=--=-=∂∂x x z x F F F F x z ,3232=--=-=∂∂x x z y F F F F yz , 于是13231=+=--=∂∂+∂∂z z z x F F F F y z x z . 6. 设x =x (y , z ), y =y (x , z ), z =z (x , y )都是由方程F (x , y , z )=0所确定的具有连续偏导数的函数, 证明1-=∂∂⋅∂∂⋅∂∂x z z yy x .解因为x y F F y x -=∂∂, y z F F z y -=∂∂, zx F F x z -=∂∂, 所以 1)()()(-=-⋅-⋅-=∂∂⋅∂∂⋅∂∂zx y z x y F F F F F F x z z y y x . 7. 设ϕ(u , v )具有连续偏导数, 证明由方程ϕ(cx -az , cy -bz )=0 所确定的函数z =f (x , y )满足 c y z b x z a =∂∂+∂∂.证明因为vu uv u u b a c b a c x z ϕϕϕϕϕϕ+=⋅-⋅-⋅-=∂∂, vu v v u v b a c b a c y z ϕϕϕϕϕϕ+=⋅-⋅-⋅-=∂∂, 所以 c b a c b b a c a y z b x z a vu vv u u =+++⋅=∂∂+∂∂ϕϕϕϕϕϕ.8. 设e z-xyz =0, 求22xz∂∂.解设F (x , y , z )=e z -xyz , 则F x =-yz , F z =e z -xy , xye yzF F x z z z x -=-=∂∂,222)()()()(xy e y x z e yz xy e x z y x z x x z z z z --∂∂--∂∂=∂∂∂∂=∂∂ 222)()(xy e xye yzyze xy ye z y zz z z ----+=32232)(22xy e e z y z xy ze y z zz ---=. 9. 设z 3-3xyz =a 3, 求yx z ∂∂∂2. 解令F (x , y , z )=z 3-3xyz -a 3, 则 xyz yzxy z yz F F x z z x -=---=-=∂∂22333,xyz xzxy z xz F F y z z y -=---=-=∂∂22333, )()(22xyz yz y x z y y x z -∂∂=∂∂∂∂=∂∂∂ 222)()2())((xy z x yz z yz xy z y z y z --∂∂--∂∂+= 22222)()2()()(xy z x xyz xz z yz xy z xy z xz yz -----⋅-+=322224)()2(xy z y x xyz z z ---=. 10. 求由下列方程组所确定的函数的导数或偏导数: (1)设⎩⎨⎧=+++=203222222z y x y x z , 求dx dy , dx dz ;解视y =y (x ), z =z (x ), 方程两边对x 求导得 ⎪⎩⎪⎨⎧=+++=064222dx dz z dx dy y x dx dy y x dx dz , 即⎪⎩⎪⎨⎧-=+-=-xdx dzz dxdy y x dx dz dx dy y 3222.解方程组得 )13(2)16(++-=∂∂z y z x x y , 13+=z x dx dz.(2)设⎩⎨⎧=++=++10222z y x z y x , 求dz dx ,dz dy ; 解视x =x (z ), y =y (z ), 方程两边对z 求导得 ⎪⎩⎪⎨⎧=++=++022201z dz dy y dz dx x dz dy dz dx , 即⎪⎩⎪⎨⎧-=+-=+zdz dy y dzdxx dz dy dz dx 2221.解方程组得y x z y z x --=∂∂, yx xz z y --=∂∂. (3)设⎩⎨⎧-=+=),(),(2y v x u g v y v ux f u , 其中f , g 具有一阶连续偏导数, 求x u ∂∂,xv ∂∂; 解视u =u (x , y ), v =v (x , y ), 方程两边对x 求偏导得 ⎪⎩⎪⎨⎧∂∂⋅'+-∂∂⋅'=∂∂∂∂⋅'+∂∂+⋅'=∂∂x v yv g xu g x v x vf x u x u f x u 21212)1()( ,即 ⎪⎩⎪⎨⎧'=∂∂⋅⋅-'+∂∂'''-=∂∂⋅'+∂∂-'121121)12()1(g x v g yv xu g f u x v f x u f x .解之得1221221)12)(1()12(g f g yv f x g f g yv f u x u ''--'-'''--''-=∂∂,1221111)12)(1()1(g f g yv f x f u f x g x v ''--'-'-'+''=∂∂.(4)设⎩⎨⎧-=+=vu e y v u e x uu cos sin , 求x u ∂∂, y u ∂∂, x v ∂∂, y v ∂∂. 解视u =u (x , y ), v =v (x , y ), 方程两边微分得 ⎩⎨⎧+-=++=vdv u vdu du e dy vdv u vdu du e dx uu sin cos cos sin , 即 ⎩⎨⎧=+-=++dy vdv u du v e dx vdv u du v e u u sin )cos (cos )sin (, 从中解出du , dv 得 dy v v e v dx v v e v du uu 1)cos (sin cos 1)cos (sin sin +--++-=, dy v v e u e v dx v v e u e v dv u uuu ]1)cos (sin [sin ]1)cos (sin [cos +-+++--=, 从而1)cos (sin sin +-=∂∂v v e v x u u , 1)cos (sin cos +--=∂∂v v e v y u u, ]1)cos (sin [cos +--=∂∂v v e u e v x v u u , ]1)cos (sin [sin +-+=∂∂v v e u e v y v u u. 11. 设y =f (x , t ), 而t 是由方程F (x , y , t )=0所确定的x , y 的函数, 其中f , F 都具有一阶连续偏导数, 试证明:tF y F t f x F t f t F x f dx dy ∂∂+∂∂⋅∂∂∂∂⋅∂∂-∂∂⋅∂∂=.证明由方程组⎩⎨⎧==0),,(),(t y x F t x f y 可确定两个一元隐函数⎩⎨⎧==)()(x t t x y y , 方程两边对x 求导可得⎪⎩⎪⎨⎧=⋅∂∂+⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂=0dx dt t F dx dy y F x F dxdtt f x f dx dy ,移项得 ⎪⎩⎪⎨⎧∂∂-=∂∂+⋅∂∂∂∂=⋅∂∂-x F dx dt t F dx dy y F x f dx dt t f dx dy , 在01≠∂∂⋅∂∂+∂∂=∂∂∂∂∂∂-=y F t f t F tF y F t fD 的条件下 yFt f t F xFt f t F x f t F x F t f x f D dx dy ∂∂⋅∂∂+∂∂∂∂⋅∂∂-∂∂⋅∂∂=∂∂∂∂-∂∂-∂∂⋅=1. 习题8-61. 求曲线x =t -sin t , y =1-cos t , 2sin 4t z =在点)22 ,1 ,12 (-π处的切线及法平面方程.解 x '(t )=1-cos t , y '(t )=sin t , 2cos 2)(t t z ='. 因为点)22 ,1 ,12 (-π所对应的参数为2π=t , 故在点)22 ,1 ,12(-π处的切向量为)2 ,1 ,1(=T . 因此在点)22 ,1 ,12 (-π处, 切线方程为22211121-=-=-+z y x π, 法平面方程为0)22(2)1(1)12(1=-+-⋅++-⋅z y x π, 即422+=++πz y x .2. 求曲线t t x +=1, t t y +=1, z =t 2在对应于t =1的点处的切线及法平面方程. 解 2)1(1)(t t x +=', 21)(t t y -=', z '(t )=2t .在t =1所对应的点处, 切向量)2 ,1 ,41(-=T , t =1所对应的点为)1 ,2 ,21(, 所以在t =1所对应的点处, 切线方程为 21124121-=--=-z y x , 即8142121-=--=-z y x ; 法平面方程为0)1(2)2()21(41=-+---z y x , 即2x -8y +16z -1=0.3. 求曲线y 2=2mx , z 2=m -x 在点(x 0, y 0, z 0)处的切线及法平面方程.解设曲线的参数方程的参数为x , 将方程y 2=2mx 和z 2=m -x的两边对x 求导, 得m dx dy y 22=, 12-=dxdz z , 所以y m dx dy =, z dxdz 21-=. 曲线在点(x 0, y 0, z 0,)的切向量为)21,,1(00z y m -=T , 所求的切线方程为0000211z z z y m y y x x --=-=-, 法平面方程为0)(21)()(00000=---+-z z z y y y m x x . 4. 求曲线⎩⎨⎧=-+-=-++0453203222z y x x z y x 在点(1, 1, 1)处的切线及法平面方程.解设曲线的参数方程的参数为x , 对x 求导得,⎪⎩⎪⎨⎧=+-=-++053203222dx dz dx dy dx dz z dx dy y x , 即⎪⎩⎪⎨⎧=-+-=+2533222dxdz dx dy x dx dz z dx dy y . 解此方程组得z y z x dx dy 61015410----=, zy y x dx dz 610946---+=. 因为169)1,1,1(=dx dy , 161)1,1,1(-=dx dz , 所以)161 ,169 ,1(=T . 所求切线方程为1611169111--=-=-z y x , 即1191161--=-=-z y x ; 法平面方程为0)1(161)1(169)1(=---+-z y x , 即16x +9y -z -24=0. 5. 求出曲线x =t , y =t 2, z =t 3上的点, 使在该点的切线平行于平面x +2y +z =4.解已知平面的法线向量为n =(1, 2, 1).因为x '=1, y '=2t , z '=3t 2, 所以参数t 对应的点处的切向量为T =(1, 2t , 3t 2). 又因为切线与已知平面平行, 所以T ⋅n =0, 即1+4t +3t 2=0,解得t =-1, 31-=t . 于是所求点的坐标为(-1, 1, -1)和)271 ,91 ,31(--. 6. 求曲面e z -z +xy =3在点(2,1,0)处的切平面及法线方程. 解令F (x , y , z )=e z -z +xy -3, 则n =(F x , F y , F z )|(2, 1, 0)=(y , x , e z -1)|(2, 1, 0)=(1, 2, 0),点(2,1, 0)处的切平面方程为1⋅(x -2)+2(y -1)+0⋅(z -0)=0, 即x +2y -4=0,法线方程为02112-=-=-z y x . 7. 求曲面ax 2+by 2+cz 2=1在点(x 0, y 0, z 0)处的切平面及法线方程. 解令F (x , y , z )=ax 2+by 2+cz 2-1, 则n =(F x , F y , F z )=(2ax , 2by , 2cz )=(ax , by , cz ).在点(x 0, y 0, z 0)处, 法向量为(ax 0, by 0, cz 0), 故切平面方程为ax 0(x -x 0)+by 0(y -y 0)+cz 0(z -z 0)=0,即 202020000cz by ax z cz y by x ax ++=++, 法线方程为00000cz z z by y y ax x x -=-=-.8. 求椭球面x 2+2y 2+z 2=1上平行于平面x -y +2z =0的切平面方程.解设F (x , y , z )=x 2+2y 2+z 2-1, 则n =(F x , F y , F z )=(2x , 4y , 2z )=2(x , 2y , z ).已知切平面的法向量为(1, -1, 2). 因为已知平面与所求切平面平行, 所以2121z y x =-=, 即z x 21=, z y 41-=, 代入椭球面方程得1)4(2)2(222=+-+z z z ,解得1122±=z , 则1122±=x , 11221 =y . 所以切点坐标为)1122,11221,112(±± . 所求切平面方程为0)1122(2)11221()112(=±+-±z y x , 即 2112±=+-z y x . 9. 求旋转椭球面3x 2+y 2+z 2=16上点(-1, -2, 3)处的切平面与xOy 面的夹角的余弦.解 x O y 面的法向为n 1=(0, 0, 1).令F (x , y , z )=3x 2+y 2 +z 2-16, 则点(-1, -2, 3)处的法向量为 n 2=(F x , F y , F z )|(-1, -2, 3)=(6x , 2y , 2z )|(-1, -2, 3)=(-6, -4, 6). 点(-1, -2, 3)处的切平面与xOy 面的夹角的余弦为22364616||||cos 2222121=++⋅=⋅⋅=n n n n θ.10. 试证曲面a z y x =++(a >0)上任何点处的切平面在各坐标轴上的截距之和等于a .证明设a z y x z y x F -++=),,(, 则)21,21,21(zy x =n . 在曲面上任取一点M (x 0, y 0, z 0), 则在点M 处的切平面方程为 0)(1)(1)(1000000=-+-+-z z z y y y x x x ,即 a z y x z z y y x x =++=++000000. 化为截距式, 得1000=++az z ay y ax x , 所以截距之和为a z y x a az ay ax =++=++)(000000.习题8-71. 求函数z =x 2+y 2在点(1, 2)处沿从点(1, 2)到点)32 ,2(+的方向的方向导数.解因为从点(1, 2)到点)32 ,2(+的向量为)3 ,1(=l , 故 )cos ,(cos )23 ,21(||βα===l l e l . 又因为22)2,1()2,1(==∂∂x x z , 42)2,1()2,1(==∂∂y y z , 故所求方向导数为321234212cos cos +=⋅+⋅=∂∂+∂∂=∂∂βαy z x z l z . 2. 求函数z =ln(x +y )在抛物线y 2=4x 上点(1, 2)处, 沿这抛物线在该点处偏向x 轴正向的切线方向的方向导数.解方程y 2=4x 两边对x 求导得2yy '=4, 解得yy 2='. 在抛物线y 2=4x 上点(1, 2)处, 切线的斜率为y '(1)=1, 切向量为l =(1, 1), 单位切向量为)cos ,(cos )21 ,21(βα==l e . 又因为31 1)2,1()2,1(=+=∂∂y x x z , 31 1)2,1()2,1(=+=∂∂y x y z , 故所求方向导数为3221312131cos cos =⋅+⋅=∂∂+∂∂=∂∂βαy z x z l z . 3. 求函数)(12222b y a x z +-=在点)2,2(b a 处沿曲线12222=+b y a x 在这点的内法线方向的方向导数.解令1),(2222-+=by a x y x F , 则22a x F x =, 22b y F y =. 从而点(x , y )处的法向量为)2 ,2() ,(22by a x F F y x ±=±=n . 在)2,2(b a 处的内法向量为 )2 ,2()2 ,2()2,2(22ba b y a x ba-=-=n , 单位内法向量为)cos ,(cos ) ,(2222βα=+-+-=b a a b a b n e . 又因为aa x x zbab a 22)2,2(2)2,2(-=-=∂∂, b b y y zb a b a 22)2,2(2)2,2(-=-=∂∂, 所以 βαcos cos yz x z n z ∂∂+∂∂=∂∂222222b a a b b a b a +⋅++⋅=222b a ab+=.4. 求函数u =xy 2+z 3-xyz 在点(1, 1, 2)处沿方向角为3 πα=, 4 πβ=, 3πγ=的方向的方向导数. 解因为方向向量为)21 ,22 ,21()cos ,cos ,(cos ==γβαl , 又因为1)()2,1,1(2)2,1,1(-=-=∂∂yz y x u , 0)2()2,1,1()2,1,1(=-=∂∂xz xy y u , 11)3()2,1,1(2)2,1,1(=-=∂∂xy z z u , 所以 γβαcos cos cos zu y u x u l u ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂ 5211122021)1(=⋅+⋅+⋅-=. 5. 求函数u =xyz 在点(5,1,2)处沿从点(5, 1, 2)到点(9, 4, 14)的方向的方向导数.解因为l =(9-5, 4-1, 14-2)=(4, 3, 12),)1312 ,133 ,134(||==l l e l , 并且 2)2,1,5()2,1,5(==∂∂yz xu ,10)2,1,5()2,1,5(==∂∂xz y u , 5)2,1,5()2,1,5(==∂∂xy z u , 所以 γβαcos cos cos zu y u x u l u ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂ 139813125133101342=⋅+⋅+⋅=. 6. 求函数u =x 2+y 2+z 2在曲线x =t , y =t 2, z =t 3上点(1, 1, 1)处, 沿曲线在该点的切线正方向(对应于t 增大的方向)的方向导. 解曲线x =t , y =t 2, z =t 3上点(1, 1, 1)对应的参数为t =1, 在点(1, 1,1)的切线正向为)3 ,2 ,1()3 ,2 ,1(12===t t t l ,)143,142,141(||==l l e l , 又 22)1,1,1()1,1,1(==∂∂x x u , 22)1,1,1()1,1,1(==∂∂y y u , 22)1,1,1()1,1,1(==∂∂z z u , 所以 γβαcos cos cos )1,1,1(zu y u x u l u ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂ 1412143214221412=⋅+⋅+⋅=. 7. 求函数u =x +y +z 在球面x 2+y 2+z 2=1上点(x 0, y 0, z 0)处, 沿球面在该点的外法线方向的方向导数.解令F (x , y , z )=x 2+y 2+z 2-1, 则球面x 2+y 2+z 2=1在点(x 0, y 0, z 0)处的外法向量为)2 ,2 ,2() , ,(000),,(000z y x F F F z y x z y x ==n , )cos ,cos ,(cos ) , ,(||000γβα===z y x n n n e , 又 1=∂∂=∂∂=∂∂zu y u x u , 所以 γβαcos cos cos zu y u x u n u ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂ 000000111z y x z y x ++=⋅+⋅+⋅=.8. 设f (x , y , z )=x 2+2y 2+3z 2+xy +3x -2y -6z , 求grad f (0, 0, 0)及grad f (1, 1, 1).解 32++=∂∂y x x f , 24-+=∂∂x y yf , 66-=∂∂z z f . 因为 3)0,0,0(=∂∂x f, 2)0,0,0(-=∂∂yf, 6)0,0,0(-=∂∂z f , 6)1,1,0(=∂∂x f , 3)1,1,0(=∂∂y f, 0)1,1,0(=∂∂z f,所以 grad f (0, 0, 0)=3i -2j -6k ,grad f (1, 1, 1)=6i +3j .9. 设u , v 都是 x , y , z 的函数, u , v 的各偏导数都存在且连续, 证明(1) grad (u +v )=grad u + grad v ;解 k j i zv u y v u x v u v u ∂+∂+∂+∂+∂+∂=+)()()()(grad k j i )()()(zv z u y v y u x v x u ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=)()(k j i k j i zv y v x v z u y u x u ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂= v u grad grad +=.(2) grad (uv )=v grad u +u grad v ;解 k j i zuv y uv x uv uv ∂∂+∂∂+∂∂=)()()()(grad k j i )()()(z v u z u v y v u y u v x v u x u v ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂= )()(k j i k j i zv y v x v u z u y u x u v ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂= =v grad u +u grad v .(3) grad (u 2)=2u grad u .解 k j i z u y u x u u ∂∂+∂∂+∂∂=2222)(grad k j i zu u y u u x u u ∂∂+∂∂+∂∂=222 u u zu y u x u u grad 2)(2=∂∂+∂∂+∂∂=k j i .10. 问函数u =xy 2z 在点p (1, -1, 2)处沿什么方向的方向导数最大? 并求此方向导数的最大值.解 k j i k j i 222 xy xyz z y zu y u x u u ++=∂∂+∂∂+∂∂=grad , k j i k j i +-=++=--42)2()2 ,1 ,1( )2,1,1(22xy xyz z y u grad .grad u (1, -1, 2)为方向导数最大的方向, 最大方向导数为 211)4(2|)2 ,1 ,1( 222=+-+=-u grad |.习题8-81. 求函数f (x , y )=4(x -y )-x 2-y 2的极值.解解方程组⎩⎨⎧=--==-=024),(024),(y y x f x y x f yx , 求得驻点为(2,-2). f xx =-2, f xy =0, f yy =-2,在驻点(2,-2)处, 因为f xx f yy -f xy 2=(-2)(-2)-0=4>0, f xx =-2<0,所以在点(2, -2)处, 函数取得极大值, 极大值为f (2, -2)=8.2. 求函数f (x , y )=(6x -x 2)(4y -y 2)的极值.解解方程组⎩⎨⎧=--==--=0)24)(6(),(0)4)(26(),(22y x x y x f y y x y x f yx , 得驻点(0, 0), (0, 4), (3, 2), (6, 0), (6,4).函数的二阶偏导数为f xx (x , y )=-2(4y -y 2), f xy (x , y )=4(3-x )(2-y ), f yy (x , y )=-2(6x -x 2). 在点(0, 0)处, 因为f xx ⋅f yy -f xy 2=0⨯0-242=-242<0,所以f (0, 0)不是极值;在点(0, 4)处, 因为f xx ⋅f yy -f xy 2=0⨯0-(-24)2=-242<0,所以f (0, 4)不是极值.在点(3, 2)处, 因为f xx ⋅f yy -f xy 2=(-8)⨯(-18)-02=8⨯18>0, f xx =-8<0,所以f (3, 2)=36是函数的极大值.在点(6, 0)处, 因为f xx ⋅f yy -f xy 2=0⨯0-(-24)2=-242>0,所以f (6, 0)不是极值.在点(6, 4)处, 因为f xx ⋅f yy -f xy 2=0⨯0-242=-242>0,所以f (6, 4)不是极值.综上所述, 函数只有一个极值, 这个极值是极大值f (3, 2)=36. 3. 求函数f (x , y )=e 2x (x +y 2+2y )的极值.解解方程组⎩⎨⎧=+==+++=0)22(),(0)1422(),(222y e y x f y y x e y x f x yx x , 得驻点)1 ,21(-. f xx (x , y )=4e 2x (x +y 2+2y +1), f xy (x , y )=4e 2x (y +1), f yy (x , y )=2e 2x . 在驻点)1 ,21(-处, 因为 f xx ⋅f yy -f xy 2=2e ⋅2e -02=4e 2>0, f xx =2e >0, 所以2)1 ,21(e f -=-是函数的极小值. 4. 求函数z =xy 在适合附加条件x +y =1下的极大值.解由x +y =1得y =1-x , 代入z =xy , 则问题化为求z =x (1-x )的无条件极值.x dxdz 21-=, 222-=dx z d . 令,0=dx dz 得驻点21=x . 因为022122<-==x dx zd , 所以21=x 为极大值点, 极大值为41)211(21=-=z . 5. 从斜边之长为l 的一切直角三角形中, 求有最大周界的直角三角形.解设直角三角形的两直角边之长分别为x , y , 则周长 S =x +y +l (0<x <l , 0<y <l ).因此, 本题是在x 2+y 2=l 2下的条件极值问题, 作函数 F (x , y )=x +y +l +λ(x 2+y 2-l 2).解方程组⎪⎩⎪⎨⎧=+=+==+=222021021ly x y F x F y x λλ, 得唯一可能的极值点2l y x ==. 根据问题性质可知这种最大周界的直角三角形一定存在, 所以斜边之长为l 的一切直角三角形中, 周界最大的是等腰直角三角形.6. 要造一个容积等于定数k 的长方体无盖水池, 应如何选择水池的尺寸方可使表面积最小.解设水池的长为x , 宽为y , 高为z , 则水池的表面积为 S =xy +2xz +2yz (x >0, y >0, z >0).本题是在条件xyz =k 下, 求S 的最大值.作函数F (x , y , z )=xy +2xz +2yz +λ(xyz -k ).解方程组⎪⎩⎪⎨⎧==++==++==++=k xyz xy y x F xz z x F yz z y F z y x 0220202λλλ, 得唯一可能的极值点)221 ,2 ,2(333k k k . 由问题本身可知S 一定有最小值, 所以表面积最小的水池的长和宽都应为.23k 高为3221k . 7. 在平面xOy 上求一点, 使它到x =0, y =0及x +2y -16=0三直线距离平方之和为最小.解设所求点为(x , y ), 则此点到x =0的距离为|y |, 到y =0的距离为|x |, 到x +2y -16=0的距离为221|162|+-+y x , 而距离平方之和为 222)162(51-+++=y x y x z . 解方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-++=∂∂=-++=∂∂0)162(5420)162(522y x y y z y x x x z , 即{03292083=-+=-+y x y x . 得唯一的驻点)516 ,58(, 根据问题的性质可知, 到三直线的距离平方之和最小的点一定存在, 故)516 ,58(即为所求. 8( 将周长为2p 的矩形绕它的一边旋转而构成一个圆柱体( 问矩形的边长各为多少时( 才可使圆柱体的体积为最大？解设矩形的一边为x , 则另一边为(p -x ), 假设矩形绕p -x 旋转, 则旋转所成圆柱体的体积为V =πx 2(p -x ).由0)32()(22=-=--=x p x x x p x dx dV πππ, 求得唯一驻点p x 32=. 由于驻点唯一, 由题意又可知这种圆柱体一定有最大值, 所以当矩形的边长为32p 和3p 时, 绕短边旋转所得圆柱体体积最大. 9. 求内接于半径为a 的球且有最大体积的长方体.解设球面方程为x 2+y 2+z 2=a 2, (x , y , z )是它的各面平行于坐标面的内接长方体在第一卦限内的一个顶点, 则此长方体的长宽高分别为2x , 2y , 2z , 体积为V =2x ⋅2y ⋅2z =8xyz .令 F (x , y , z )=8xyz +λ(x 2+y 2+z 2-a 2) .解方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=+==+==+=2222028028028a z y x z xy F y xz F x yz F z y x λλλ, 即⎪⎩⎪⎨⎧=++=+=+=+2222040404a z y x z xy y xz x yz λλλ, 得唯一驻点)3,3,3(a a a . 由题意可知这种长方体必有最大体积, 所以当长方体的长、宽、高都为32a 时其体积最大. 10. 抛物面z =x 2+y 2被平面x +y +z =1截成一椭圆, 求原点到这椭圆的最长与最短距离.解设椭圆上点的坐标(x , y , z ), 则原点到椭圆上这一点的距离平方为d 2=x 2+y 2+z 2, 其中x , y , z 要同时满足z =x 2+y 2和x +y +z =1. 令 F (x , y , z )=x 2+y 2+z 2+λ1(z -x 2-y 2)+λ2(x +y +z -1).解方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++==+-==+-=02022022212121λλλλλλz F y y F x x F z y x , 得驻点231±-==y x , 32 =z . 它们是可能的两个极值点, 由题意这种距离的最大值和最小值一定存在, 所以距离的最大值和最小值在两点处取得, 因为在驻点处359)32()231(2222222 =+±-=++=z y x d , 所以3591+=d 为最长距离;3592-=d 为最短距离.总习题八1. 在“充分”、“必要”和“充分必要”三者中选择一个正确的填入下列空格内:(1)f (x , y )在(x , y )可微分是f (x , y )在该点连续的______条件, f (x , y )在点连续是f (x , y )在该点可微分的______条件.解充分; 必要.(2)z =f (x , y )在点(x , y )的偏导数x z ∂∂及yz ∂∂存在是f (x , y )在该点可微分的______条件, z = f (x , y )在点(x , y )可微分是函数在该点的偏导数x z ∂∂及y z ∂∂存在的______条件. 解必要; 充分.(3)z =f (x , y )的偏导数x z ∂∂及yz ∂∂在(x , y )存在且连续是f (x , y )在该点可微分的______条件. 解充分. (4)函数z =f (x , y )的两个二阶偏导数y x z ∂∂∂2及xy z ∂∂∂2在区域D 内连续是这两个二阶混合偏导数在D 内相等的______条件.解充分.2. 选择下述题中给出的四个结论中一个正确的结论:设函数f (x , y )在点(0, 0)的某邻域内有定义, 且f x (0, 0)=3, f y (0, 0)=-1, 则有______.(A )dz |(0, 0)=3dx -dy .(B )曲面z =f (x , y )在点(0, 0, f (0, 0))的一个法向量为(3, -1, 1).(C )曲线⎩⎨⎧==0),(y y x f z 在点(0, 0, f (0, 0))的一个切向量为(1, 0, 3). (D )曲线⎩⎨⎧==0),(y y x f z 在点(0, 0, f (0, 0))的一个切向量为(3, 0, 1). 解 (C ).3. 求函数)1ln(4),(222y x y x y x f ---=的定义域, 并求),(lim )0,21(),(y x f y x →. 解函数的定义域为{(x , y )| 0<x 2+y 2<1, y 2≤4x }因为D ∈)0 ,21(, 故由初等函数在定义域内的连续性有 43ln 2)1ln(4)1ln(4lim ),(lim )0,21(222222)0,21(),()0,21(),(=---=---=→→y x y x y x y x y x f y x y x .。

同济大学高等数学习题课5-间断点与连续性

∵ f (0)a0 ， f (a3)a32sin (a3)a32sin (a3)0 ， ∴由零点定理可知，c(0, a3) ，使得 f (c)0 ，故方程x2sinxa 至少有一个正实根。
4．证明方程 a1 a2 a3 0 ，其中 x1 x2 x3
a1 ，a2 ，a3 0 ，1 2 3 ，在 (1,2 ) 和
( 2 , 3 ) 内至少各有一个实根。
证明：令 f ( x) a1 a2 a3 ，则f ( x) x1 x2 x3
在 (1,2 ) 和 ( 2 , 3 ) 内均连续。
∵ lim f ( x) ， lim f ( x) ，
x1
x 2
lim f ( x) ， lim f ( x) ，
x
2
x
3
∴必有[x1,x2](1,2 ) ，使得 f ( x1)0 ， f ( x2 )0 ，
∵ F ( x)a1( x 2 )( x 3 ) a2 ( x 1 )( x 3 ) a3 ( x 1 )( x 2 )
是二次多项式，
∴ F( x) 在[1,2], [2,3] 上必连续，
∵ a1, a2, a3 0 ，12 3 ，
∴ F (1)a1(12 )(1 3 )0 ， F (2 )a2( x1)(x3 )0 ，F (3 )a3( x1)(x2 )0 ，由零点定理知，c1 (1,2 ) ，使得F(c1)0 ；
x0 x2 1 x0 sinx
lim
x 1
sinx x2 1
,
x 0为第一类间断点, x 1是第二类间断点 .
lim
xn
x( x 3) sinx
(n
3),
x
n为无穷间断点。
lim x(x 3) lim ( 3) x3 sinx 0 sin ( 3)

同济第六版高数答案(高等数学课后习题解答)2

习题9-11. 设有一平面薄板(不计其厚度), 占有xOy 面上的闭区域D , 薄板上分布有密度为μ =μ(x , y )的电荷, 且μ(x , y )在D 上连续, 试用二重积分表达该板上全部电荷Q .解板上的全部电荷应等于电荷的面密度μ(x , y )在该板所占闭区域D 上的二重积分⎰⎰=Dd y x Q σμ),(.2. 设⎰⎰+=13221)(D d y x I σ, 其中D 1={(x , y )|-1≤x ≤1, -2≤y ≤2};又⎰⎰+=23222)(D d y x I σ, 其中D 2={(x , y )|0≤x ≤1, 0≤y ≤2}.试利用二重积分的几何意义说明I 1与I 2的关系.解 I 1表示由曲面z =(x 2+y 2)3与平面x =±1, y =±2以及z =0围成的立体V 的体积.I 2表示由曲面z =(x 2+y 2)3与平面x =0, x =1, y =0, y =2以及z =0围成的立体V 1的体积.显然立体V 关于yOz 面、xOz 面对称, 因此V 1是V 位于第一卦限中的部分, 故V =4V 1, 即I 1=4I 2.3. 利用二重积分的定义证明: (1)⎰⎰=Dd σσ (其中σ为D 的面积);证明由二重积分的定义可知,⎰⎰∑=→∆=Dni iiif d y x f 1),(lim ),(σηξσλ其中∆σi 表示第i 个小闭区域的面积. 此处f (x , y )=1, 因而f (ξ, η)=1, 所以,σσσσλλ==∆=→=→⎰⎰∑01lim lim Dni id .(2)⎰⎰⎰⎰=DDd y x f k d y x kf σσ),(),( (其中k 为常数);证明∑⎰⎰∑=→=→∆=∆=ni i i i Dni iiif k kf d y x kf 11),(lim ),(lim ),(σηξσηξσλλ⎰⎰∑=∆==→Dn i i i i d y x f k f k σσηξλ),(),(lim 10. (3)⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=21),(),(),(D DD d y x f d y x f d y x f σσσ,其中D =D 1⋃D 2, D 1、D 2为两个无公共内点的闭区域.证明将D 1和D 2分别任意分为n 1和n 2个小闭区域1i σ∆和2i σ∆, n 1+n 2=n , 作和∑∑∑===∆+∆=∆2222211111111),(),(),(n i i i i n i i i i ni iiif f f σηξσηξσηξ.令各1i σ∆和2i σ∆的直径中最大值分别为λ1和λ2, 又λ=ma x (λ1λ2), 则有∑=→∆ni i i i f 10),(lim σηξλ∑∑=→=→∆+∆=22222211111111),(lim ),(lim n i i i i n i i i i f f σηξσηξλλ,即 ⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=21),(),(),(D D Dd y x f d y x f d y x f σσσ.4. 根据二重积分的性质, 比较下列积分大小:(1)⎰⎰+Dd y x σ2)(与⎰⎰+Dd y x σ3)(, 其中积分区域D 是由x 轴, y 轴与直线x +y =1所围成;解区域D 为: D ={(x , y )|0≤x , 0≤y , x +y ≤1}, 因此当(x , y )∈D 时, 有(x +y )3≤(x +y )2, 从而⎰⎰+Dd y x σ3)(≤⎰⎰+Dd y x σ2)(. (2)⎰⎰+Dd y x σ2)(与⎰⎰+Dd y x σ3)(, 其中积分区域D 是由圆周(x -2)2+(y -1)2=2所围成;解区域D 如图所示, 由于D 位于直线x +y =1的上方, 所以当(x , y )∈D 时, x +y ≥1, 从而(x +y )3≥(x +y )2, 因而⎰⎰⎰⎰+≤+DDd y x d y x σσ32)()(. (3)⎰⎰+Dd y x σ)ln(与⎰⎰+Dd y x σ3)(, 其中D 是三角形闭区域, 三角顶点分别为(1, 0), (1, 1), (2, 0);解区域D 如图所示, 显然当(x , y )∈D 时, 1≤x +y ≤2, 从而0≤ln(x +y )≤1, 故有[ln(x +y )]2≤ ln(x +y ), 因而⎰⎰⎰⎰+≥+DDd y x d y x σσ)ln()][ln(2. (4)⎰⎰+Dd y x σ)ln(与⎰⎰+Dd y x σ3)(, 其中D ={(x , y )|3≤x ≤5. 0≤y ≤1}.解区域D 如图所示, 显然D 位于直线x +y =e 的上方, 故当(x , y )∈D 时, x +y ≥e , 从而ln(x +y )≥1, 因而 [ln(x +y )]2≥ln(x +y ), 故⎰⎰⎰⎰+≤+DDd y x d y x σσ2)][ln()ln(. 5. 利用二重积分的性质估计下列积分的值: (1)⎰⎰+=Dd y x xy I σ)(, 其中D ={(x , y )| 0≤x ≤1, 0≤y ≤1};解因为在区域D 上0≤x ≤1, 0≤y ≤1, 所以 0≤xy ≤1, 0≤x +y ≤2, 进一步可得0≤xy (x +y )≤2, 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰≤+≤DDDd d y x xy d σσσ2)(0,即 ⎰⎰≤+≤Dd y x xy 2)(0σ.(2)⎰⎰=Dyd x I σ22sin sin , 其中D ={(x , y )| 0≤x ≤π, 0≤y ≤π};解因为0≤sin 2x ≤1, 0≤sin 2y ≤1, 所以0≤sin 2x sin 2y ≤1. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰≤≤DDDd yd x d σσσ1sin sin 022, 即 ⎰⎰≤≤Dyd x 222sin sin 0πσ.(3)⎰⎰++=Dd y x I σ)1(, 其中D ={(x , y )| 0≤x ≤1, 0≤y ≤2};解因为在区域D 上, 0≤x ≤1, 0≤y ≤2, 所以1≤x +y +1≤4, 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰≤++≤DDDd d y x d σσσ4)1(,即 ⎰⎰≤++≤Dd y x 8)1(2σ.(4)⎰⎰++=Dd y x I σ)94(22, 其中D ={(x , y )| x 2+y 2 ≤4}.解在D 上, 因为0≤x 2+y 2≤4, 所以 9≤x 2+4y 2+9≤4(x 2+y 2)+9≤25. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰≤++≤DDDd d y x d σσσ25)94(922, ⎰⎰⋅⋅≤++≤Dd y x 2222225)94(29πσπ,即 ⎰⎰≤++≤Dd y x πσπ100)94(3622.习题9-21. 计算下列二重积分:(1)⎰⎰+Dd y x σ)(22, 其中D ={(x , y )| |x |≤1, |y |≤1};解积分区域可表示为D : -1≤x ≤1, -1≤y ≤1. 于是⎰⎰+Dd y x σ)(22y d y x dx ⎰⎰--+=111122)(x d y y x ⎰--+=111132]31[ x d x ⎰-+=112)312(113]3232[-+=x x 38=. (2)⎰⎰+Dd y x σ)23(, 其中D 是由两坐标轴及直线x +y =2所围成的闭区域:解积分区域可表示为D : 0≤x ≤2, 0≤y ≤2-x . 于是⎰⎰+Dd y x σ)23(y d y x dx x⎰⎰-+=2020)23(dx y xy x ⎰-+=222]3[ dx x x ⎰-+=202)224(0232]324[x x x -+=320=. (3)⎰⎰++Dd y y x x σ)3(223, 其中D ={(x , y )| 0≤x ≤1, 0≤y ≤1};解⎰⎰++Dd y y x x σ)3(323⎰⎰++=1032310)3(dx y y x x dy ⎰++=1001334]4[dy x y y x x⎰++=103)41(dy y y 0142]424[y y y ++=1412141=++=.(4)⎰⎰+Dd y x x σ)cos(, 其中D 是顶点分别为(0, 0), (π, 0), 和(π, π)的三角形闭区域.解积分区域可表示为D : 0≤x ≤π, 0≤y ≤x . 于是,⎰⎰+D d y x x σ)cos(⎰⎰+=x dy y x xdx 00)cos(π⎰+=π)][sin(dx y x x x⎰-=π0)sin 2(sin dx x x x ⎰--=π0)cos 2cos 21(x x xd+--=0|)cos 2cos 21(πx x x dx x x ⎰-π0)cos 2cos 21(π23-=. .2. 画出积分区域, 并计算下列二重积分:(1)⎰⎰Dd y x σ, 其中D 是由两条抛物线x y =, 2x y =所围成的闭区域;解积分区域图如, 并且D ={(x , y )| 0≤x ≤1, x y x ≤≤2}. 于是⎰⎰D d y xσ⎰⎰=102dy y x dx xx⎰=10223]32[dx y x x x 556)3232(10447=-=⎰dx x x .(2)⎰⎰Dd xy σ2, 其中D 是由圆周x 2+y 2=4及y 轴所围成的右半闭区域; 解积分区域图如, 并且D ={(x , y )| -2≤y ≤2, 240y x -≤≤}. 于是⎰⎰⎰⎰⎰----=22402240222222]21[dy y x dx xy dy d xy y y Dσ1564]10132[)212(22225342=-=-=--⎰y y dy y y . (3)⎰⎰+Dy x d e σ, 其中D ={(x , y )| |x |+|y |≤1};解积分区域图如, 并且D ={(x , y )| -1≤x ≤0, -x -1≤y ≤x +1}⋃{(x , y )| 0≤x ≤1, x -1≤y ≤-x +1}. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰+--+---++=11101101x x y x x x y x Dy x dy e dx e dy e dx e d e σ⎰⎰+---+--+=1110111][][dy e e dx e e x x y x x x y x ⎰⎰---+-+-=11201112)()(dx e e dx e ex x 101201112]21[]21[---+-+-=x x e ex x e e =e -e -1. (4)⎰⎰-+Dd x y x σ)(22, 其中D 是由直线y =2, y =x 及y =2x 轴所围成的闭区域.解积分区域图如, 并且D ={(x , y )| 0≤y ≤2, y x y ≤≤21}. 于是⎰⎰⎰⎰⎰-+=-+=-+2022232222022]2131[)()(dy x x y x dx x y x dy d x y x y y y y Dσ613)832419(2023=-=⎰dy y y .3. 如果二重积分⎰⎰Ddxdy y x f ),(的被积函数f (x , y )是两个函数f 1(x )及f 2(y )的乘积,即f (x , y )= f 1(x )⋅f 2(y ), 积分区域D ={(x , y )| a ≤x ≤b , c ≤ y ≤d }, 证明这个二重积分等于两个单积分的乘积, 即 ])([])([)()(2121dy y f dx x f dxdy y f x f dcb aD⎰⎰⎰⎰⋅=⋅证明dx dy y f x f dy y f x f dx dxdy y f x f dcb a d cb aD⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅=⋅=⋅])()([)()()()(212121,而 ⎰⎰=⋅dcdcdy y f x f dy y f x f )()()()(2121,故dx dy y f x f dxdy y f x f b adcD⎰⎰⎰⎰=⋅])()([)()(2121.由于⎰dcdy y f )(2的值是一常数, 因而可提到积分号的外面, 于是得])([])([)()(2121dy y f dx x f dxdy y f x f dcb a D⎰⎰⎰⎰⋅=⋅4. 化二重积分⎰⎰=Dd y x f I σ),(为二次积分(分别列出对两个变量先后次序不同的两个二次积分), 其中积分区域D 是:(1)由直线y =x 及抛物线y 2=4x 所围成的闭区域; 解积分区域如图所示, 并且D ={(x , y )|x y x x 2 ,40≤≤≤≤}, 或D ={(x , y )| y x y y ≤≤≤≤241 ,40},所以 ⎰⎰=xxdy y x f dx I 240),(或⎰⎰=yy dx y x f dy I 4402),(.(2)由x 轴及半圆周x 2+y 2=r 2(y ≥0)所围成的闭区域; 解积分区域如图所示, 并且D ={(x , y )|220 ,x r y r x r -≤≤≤≤-},或D ={(x , y )| 2222 ,0y r x y r r y -≤≤--≤≤}, 所以 ⎰⎰--=220),(x r rr dy y x f dx I , 或⎰⎰---=2222),(0y r y r r dx y x f dy I .(3)由直线y =x , x =2及双曲线x y 1=(x >0)所围成的闭区域;解积分区域如图所示, 并且D ={(x , y )|x y xx ≤≤≤≤1 ,21},或D ={(x , y )| 21 ,121≤≤-≤≤x y y }⋃{(x , y )|2 ,21≤≤≤≤x y y },所以 ⎰⎰=x xdy y x f dx I 1),(21, 或⎰⎰⎰⎰+=22121121),(),(yydx y x f dy dx y x f dy I .(4)环形闭区域{(x , y )| 1≤x 2+y 2≤4}.解如图所示, 用直线x =-1和x =1可将积分区域D 分成四部分, 分别记做D 1, D 2,D 3, D 4. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰+++=4321),(),(),(),(D D D D d y x f d y x f d y x f d y x f I σσσσ⎰⎰⎰⎰--------+=222244411112),(),(x x x x dy y x f dx dy y x f dx ⎰⎰⎰⎰--------++222214442111),(),(x x x x dy y x f dx dy y x f dx用直线y =1, 和y =-1可将积分区域D 分成四部分, 分别记做D 1, D 2, D 3, D 4, 如图所示. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰+++=4321),(),(),(),(D D D D d y x f d y x f d y x f d y x f I σσσσ⎰⎰⎰⎰--------+=222244141121),(),(y y y y dx y x f dy dx y x f dy⎰⎰⎰⎰--------++222241441211),(),(y y y y dx y x f dy dx y x f dy5. 设f (x , y )在D 上连续, 其中D 是由直线y =x 、y =a 及x =b (b >a )围成的闭区域, 证明:⎰⎰⎰⎰=bybaxabadx y x f dy dy y x f dx ),(),(.证明积分区域如图所示, 并且积分区域可表示为 D ={(x , y )|a ≤x ≤b , a ≤y ≤x }, 或D ={(x , y )|a ≤y ≤b , y ≤x ≤b }. 于是⎰⎰Dd y x f σ),(⎰⎰=x a b a dy y x f dx ),(, 或⎰⎰Dd y x f σ),(⎰⎰=by b a dx y x f dy ),(.因此⎰⎰⎰⎰=byb ax abadx y x f dy dy y x f dx ),(),(.6. 改换下列二次积分的积分次序: (1)⎰⎰ydx y x f dy 01),(;解由根据积分限可得积分区域D ={(x , y )|0≤y ≤1, 0≤x ≤y }, 如图. 因为积分区域还可以表示为D ={(x , y )|0≤x ≤1, x ≤y ≤1}, 所以⎰⎰⎰⎰=1101),(),(xy dy y x f dx dx y x f dy .(2)⎰⎰y ydx y x f dy 2202),(;解由根据积分限可得积分区域D ={(x , y )|0≤y ≤2, y 2≤x ≤2y }, 如图. 因为积分区域还可以表示为D ={(x , y )|0≤x ≤4, x y x ≤≤2}, 所以⎰⎰y ydx y x f dy 222),(⎰⎰=402),(xx dy y x f dx .(3)⎰⎰---221110),(y y dx y x f dy ;解由根据积分限可得积分区域}11 ,10|),{(22y x y y y x D -≤≤--≤≤=, 如图. 因为积分区域还可以表示为}10 ,11|),{(2x y x y x D -≤≤≤≤-=, 所以⎰⎰⎰⎰-----=22210111110),(),(x y ydy y x f dx dx y x f dy(4)⎰⎰--21222),(x x xdy y x f dx ;解由根据积分限可得积分区域}22 ,21|),{(2x x y x x y x D -≤≤-≤≤=, 如图. 因为积分区域还可以表示为}112 ,10|),{(2y x y y y x D -+≤≤-≤≤=, 所以⎰⎰--21222),(x x x dy y x f dx ⎰⎰-+-=11122),(y ydx y x f dy .(5)⎰⎰e xdy y x f dx 1ln 0),(;解由根据积分限可得积分区域D ={(x , y )|1≤x ≤e , 0≤y ≤ln x }, 如图. 因为积分区域还可以表示为D ={(x , y )|0≤y ≤1, e y ≤x ≤ e }, 所以⎰⎰e xdy y x f dx 1ln 0),(⎰⎰=10),(eey dx y x f dy(6)⎰⎰-xxdy y x f dx sin 2sin 0),(π(其中a ≥0)．解由根据积分限可得积分区域}sin 2sin ,0|),{(x y x x y x D ≤≤-≤≤=π, 如图.因为积分区域还可以表示为}arcsin 2 ,01|),{(π≤≤-≤≤-=x y y y x D}arcsin arcsin ,10|),{(y x y y y x -≤≤≤≤⋃π, 所以⎰⎰⎰⎰⎰⎰----+=yyyxxdx y x f dy dx y x f dy dy y x f dx arcsin arcsin 10arcsin 201sin 2sin 0),(),(),(πππ.7. 设平面薄片所占的闭区域D 由直线x +y =2, y =x 和x 轴所围成, 它的面密度为μ(x , y )=x 2+y 2, 求该薄片的质量. 解如图, 该薄片的质量为⎰⎰=D d y x M σμ),(⎰⎰+=Dd y x σ)(22⎰⎰-+=10222)(yydx y x dy⎰-+-=10323]372)2(31[dy y y y 34=.8. 计算由四个平面x =0, y =0, x =1, y =1所围成的柱体被平面z =0及2x +3y +z =6截得的立体的体积.解四个平面所围成的立体如图, 所求体积为 ⎰⎰--=Ddxdy y x V )326(⎰⎰--=101)326(dy y x dx⎰--=10102]2326[dx y xy y ⎰=-=1027)229(dx x .9. 求由平面x =0, y =0, x +y =1所围成的柱体被平面z =0及抛物面x 2+y 2=6-z 截得的立体的体积.解立体在xOy 面上的投影区域为D ={(x , y )|0≤x ≤1, 0≤y ≤1-x }, 所求立体的体积为以曲面z =6-x 2-y 2为顶, 以区域D 为底的曲顶柱体的体积, 即⎰⎰--=Dd y x V σ)6(22⎰⎰---=101022)6(xdy y x dx 617=.10. 求由曲面z =x 2+2y 2及z =6-2x 2-y 2所围成的立体的体积.解由⎩⎨⎧--=+=2222262y x z y x z 消去z , 得x 2+2y 2=6-2x 2-y 2, 即x 2+y 2=2, 故立体在x O y 面上的投影区域为x 2+y 2≤2, 因为积分区域关于x 及y 轴均对称, 并且被积函数关于x , y都是偶函数, 所以⎰⎰+---=Dd y x y x V σ)]2()26[(2222⎰⎰--=Dd y x σ)336(22⎰⎰---=2202220)2(12x dy y x dx π6)2(8232=-=⎰dx x .11. 画出积分区域, 把积分⎰⎰Ddxdy y x f ),(表示为极坐标形式的二次积分, 其中积分区域D 是:(1){(x , y )| x 2+y 2≤a 2}(a >0);解积分区域D 如图. 因为D ={(ρ, θ)|0≤θ≤2π, 0≤ρ≤a }, 所以⎰⎰⎰⎰=D Dd d f dxdy y x f θρρθρθρ)sin ,cos (),(⎰⎰=πρρθρθρθ20)sin ,cos (d f d a.(2){(x , y )|x 2+y 2≤2x };解积分区域D 如图. 因为}cos 20 ,22|),{(θρπθπθρ≤≤≤≤-=D , 所以⎰⎰⎰⎰=DDd d f dxdy y x f θρρθρθρ)sin ,cos (),(⎰⎰-=22cos 20)sin ,cos (ππθρρθρθρθd f d .(3){(x , y )| a 2≤x 2+y 2≤b 2}, 其中0<a <b ;解积分区域D 如图. 因为D ={(ρ, θ)|0≤θ≤2π, a ≤ρ≤b }, 所以⎰⎰⎰⎰=D Dd d f dxdy y x f θρρθρθρ)sin ,cos (),(⎰⎰=πρρθρθρθ20)sin ,cos (bad f d .(4){(x , y )| 0≤y ≤1-x , 0≤x ≤1}.解积分区域D 如图. 因为}sin cos 10 ,20|),{(θθρπθθρ+≤≤≤≤=D , 所以⎰⎰⎰⎰=DDd d f dxdy y x f θρρθρθρ)sin ,cos (),(⎰⎰+=θθρρθρθρθπsin cos 1020)sin ,cos (d f d .12. 化下列二次积分为极坐标形式的二次积分: (1)⎰⎰11),(dy y x f dx ;解积分区域D 如图所示. 因为}csc 0 ,24|),{(}sec 0 ,40|),{(θρπθπθρθρπθθρ≤≤≤≤⋃≤≤≤≤=D ,所以⎰⎰⎰⎰⎰⎰==DDd d f d y x f dy y x f dx θρρθρθρσ)sin ,cos (),(),(0⎰⎰=4sec 0)sin ,cos (πθρρθρθρθd f d ⎰⎰+24csc 0)sin ,cos (ππθρρθρθρθd f d .(2)⎰⎰+xxdy y x f dx 3222)(;解积分区域D 如图所示, 并且 }sec 20 ,34|),{(θρπθπθρ≤≤≤≤=D ,所示⎰⎰⎰⎰⎰⎰=+=+xxDDd d f d y x f dy y x f dx 3222220)()()(θρρρσ⎰⎰=34sec 20)(ππθρρρθd f d .(3)⎰⎰--2111),(x xdy y x f dx ;解积分区域D 如图所示, 并且}1sin cos 1 ,20|),{(≤≤+≤≤=ρθθπθθρD ,所以⎰⎰⎰⎰⎰⎰--==10112)sin ,cos (),(),(x xDDd d f d y x f dy y x f dx θρρθρθρσ⎰⎰+=2sin cos 101)sin ,cos (πθθρρθρθρθd f d(4)⎰⎰21),(x dy y x f dx .解积分区域D 如图所示, 并且}sec tan sec ,40|),{(θρθθπθθρ≤≤≤≤=D ,所以⎰⎰210),(x dy y x f dx ⎰⎰⎰⎰==DDd d f d y x f θρρθρθρσ)sin ,cos (),(⎰⎰=40sec tan sec )sin ,cos (πθθθρρθρθρθd f d13. 把下列积分化为极坐标形式, 并计算积分值: (1)⎰⎰-+2202220)(x ax ady y x dx ;解积分区域D 如图所示. 因为}cos 20 ,20|),{(θρπθθρa D ≤≤≤≤=, 所以⎰⎰-+2202220)(x ax ady y x dx ⎰⎰⋅=Dd d θρρρ2⎰⎰⋅=20cos 202πθρρρθa d d ⎰=2044cos 4πθθd a 443a π=.(2)⎰⎰+dy y x dx 0220;解积分区域D 如图所示. 因为}sec 0 ,40|),{(θρπθθρa D ≤≤≤≤=, 所以⎰⎰⎰⎰⋅=+Dxad d dy y x dx θρρρ0220⎰⎰⋅=40sec 0πθρρρθa d d ⎰=4033sec 3πθθd a )]12ln(2[63++=a .(3)⎰⎰-+xxdy y xdx 2212210)(;解积分区域D 如图所示. 因为}tan sec 0 ,40|),{(θθρπθθρ≤≤≤≤=D , 所以⎰⎰⎰⎰⋅=+--Dxx d d dy y xdx θρρρ212122102)(12tan sec 40tan sec 02140-==⋅=⎰⎰⎰-πθθπθθθρρρθd d d .(4)⎰⎰-+220220)(y a a dx y x dy .解积分区域D 如图所示. 因为}0 ,20|),{(a D ≤≤≤≤=ρπθθρ, 所以⎰⎰⎰⎰⋅=+-Dy a ad d dx y x dy θρρρ2022022)(420028a d d aπρρρθπ=⋅=⎰⎰.14. 利用极坐标计算下列各题: (1)⎰⎰+Dy xd e σ22，其中D 是由圆周x 2+y 2=4所围成的闭区域;解在极坐标下D ={(ρ, θ)|0≤θ≤2π, 0≤ρ≤2}, 所以⎰⎰⎰⎰=+DDy x d d e d e θρρσρ222)1()1(2124420202-=-⋅==⎰⎰e e d e d ππρρθπρ. (2)⎰⎰++Dd y x σ)1ln(22，其中D 是由圆周x 2+y 2=1及坐标轴所围成的在第一象限内的闭区域;解在极坐标下}10 ,20|),{(≤≤≤≤=ρπθθρD , 所以⎰⎰⎰⎰+=++DDd d d y x θρρρσ)1ln()1ln(222)12ln 2(41)12ln 2(212)1ln(2012-=-⋅=+=⎰⎰πρρρθπd d .(3)σd xyDarctan⎰⎰, 其中D 是由圆周x 2+y 2=4, x 2+y 2=1及直线y =0, y =x 所围成的第一象限内的闭区域.解在极坐标下}21 ,40|),{(≤≤≤≤=ρπθθρD , 所以⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅=⋅=DDDd d d d d xyθρρθθρρθσ)arctan(tan arctan⎰⎰⋅=4021πρρθθd d ⎰⎰==40321643ππρρθθd d . 15. 选用适当的坐标计算下列各题:(1)dxdy yx D 22⎰⎰，其中D 是由直线x =2，y =x 及曲线xy =1所围成的闭区域.解因为积分区域可表示为}1 ,21|),{(x y xx y x D ≤≤≤≤=, 所以dxdy yx D 22⎰⎰dy y dx x x x ⎰⎰=211221⎰-=213)(dx x x 49=.(2)⎰⎰++--Dd yx y x σ222211, 其中D 是由圆周x 2+y 2=1及坐标轴所围成的在第一象限内的闭区域;解在极坐标下}10 ,20|),{(≤≤≤≤=ρπθθρD , 所以⎰⎰⎰⎰⋅+-=++--DD d d d y x y x θρρρρσ2222221111)2(811102220-=+-=⎰⎰ππρρρρθπd d .(3)⎰⎰+Dd y x σ)(22, 其中D 是由直线y =x , y =x +a , y =a , y =3a (a >0)所围成的闭区域;解因为积分区域可表示为D ={(x , y )|a ≤y ≤3a , y -a ≤x ≤y }, 所以⎰⎰+D d y x σ)(22⎰⎰-+=a a ya y dx y x dy 322)(4332214)312(a dy a y a ay a a =+-=⎰.(4)σd y x D22+⎰⎰, 其中D 是圆环形闭区域{(x , y )| a 2≤x 2+y 2≤b 2}.解在极坐标下D ={(ρ, θ)|0≤θ≤2π, a ≤ρ≤b }, 所以 σd y x D22+⎰⎰)(3233202a b dr r d b a -==⎰⎰πθπ.16. 设平面薄片所占的闭区域D 由螺线ρ=2θ上一段弧(20πθ≤≤)与直线2πθ=所围成, 它的面密度为μ(x , y )=x 2+y 2. 求这薄片的质量.解区域如图所示. 在极坐标下}20 ,20|),{(θρπθθρ≤≤≤≤=D , 所以所求质量⎰⎰⎰⎰⋅==Dd d d y x M 20202),(πθρρρθσμ⎰==254404ππθθd .17. 求由平面y =0, y =kx (k >0), z =0以及球心在原点、半径为R 的上半球面所围成的在第一卦限内的立体的体积.解此立体在xOy 面上的投影区域D ={(x , y )|0≤θ≤arctan k , 0≤ρ≤R }.⎰⎰--=D dxdy y x R V 222k R d R d k Rarctan 313arctan 0022=-=⎰⎰ρρρθ.18. 计算以xOy 平面上圆域x 2+y 2=ax 围成的闭区域为底, 而以曲面z =x 2+y 2为顶的曲顶柱体的体积.解曲顶柱体在xOy 面上的投影区域为D ={(x , y )|x 2+y 2≤ax }. 在极坐标下}cos 0 ,22|),{(θρπθπθρa D ≤≤≤≤-=, 所以⎰⎰≤++=axy x dxdy y xV 22)(22πθθρρρθππθππ422cos 022442323cos 4a d a d d a ==⋅=⎰⎰⎰--. 习题9-31. 化三重积分dxdydz z y x f I ),,(Ω⎰⎰⎰=为三次积分, 其中积分区域Ω分别是:(1)由双曲抛物面xy =z 及平面x +y -1=0, z =0所围成的闭区域; 解积分区域可表示为Ω={(x , y , z )| 0≤z ≤xy , 0≤y ≤1-x , 0≤x ≤1}, 于是 ⎰⎰⎰-=xyx dz z y x f dy dx I 01010),,(.(2)由曲面z =x 2+y 2及平面z =1所围成的闭区域; 解积分区域可表示为}11 ,11 ,1|),,{(2222≤≤--≤≤--≤≤+=Ωx x y x z y x z y x , 于是 ⎰⎰⎰+----=111112222),,(y x x x dz z y x f dy dx I .(3)由曲面z =x 2+2y 2及z =2-x 2所围成的闭区域;解曲积分区域可表示为}11 ,11 ,22|),,{(22222≤≤--≤≤---≤≤+=Ωx x y x x z y x z y x , 于是 ⎰⎰⎰-+----=22222221111),,(x y x x x dz z y x f dy dx I .提示: 曲面z =x 2+2y 2与z =2-x 2的交线在xOy 面上的投影曲线为x 2+y 2=1.(4)由曲面cz =xy (c >0), 12222=+by a x , z =0所围成的在第一卦限内的闭区域. 解曲积分区域可表示为}0 ,0 ,0|),,{(22a x x a a b y c xyz z y x ≤≤-≤≤≤≤=Ω,于是 ⎰⎰⎰-=cxy abdz z y x f dy dx I x a a0),,(22.提示: 区域Ω的上边界曲面为曲面c z =xy , 下边界曲面为平面z =0.2. 设有一物体, 占有空间闭区域Ω={(x , y , z )|0≤x ≤1, 0≤y ≤1, 0≤z ≤1}, 在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z )=x +y +z , 计算该物体的质量.解 ⎰⎰⎰⎰⎰⎰++==Ω101010)(dz z y x dy dx dxdydz M ρ⎰⎰++=1010)21(dy y x dx⎰⎰+=++=1010102)1(]2121[dx x dx y y xy 23)1(21102=+=x .3. 如果三重积分dxdydz z y x f ),,(Ω⎰⎰⎰的被积函数f (x , y , z )是三个函数f 1(x )、f 2(y )、f 3(z )的乘积, 即f (x , y , z )= f 1(x )⋅f 2(y )⋅f 3(z ), 积分区域Ω={(x , y , z )|a ≤x ≤b , c ≤y ≤d , l ≤z ≤m }, 证明这个三重积分等于三个单积分的乘积, 即⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωmldcbadz z f dy y f dx x f dxdydz z f y f x f )()()()()()(321321.证明dxdydz z f y f x f )()()(321Ω⎰⎰⎰dx dy dz z f y f x f b a d c ml]))()()(([321⎰⎰⎰=dx dy dz z f y f x f ba dc ml]))()()(([321⎰⎰⎰=⎰⎰⎰=mldcbadx dy y f dz z f x f )])()()()([(231dx x f dy y f dz z f b a mldc)]())()()([(123⎰⎰⎰=⎰⎰⎰=d cbam ldx x f dy y f dz z f )())()()((123 ⎰⎰⎰=dcmlbadz z f dy y f dx x f )()()(321.4. 计算dxdydz z xy 32Ω⎰⎰⎰, 其中Ω是由曲面z =xy , 与平面y =x , x =1和z =0所围成的闭区域.解积分区域可表示为Ω={(x , y , z )| 0≤z ≤xy , 0≤y ≤x , 0≤x ≤1}, 于是dxdydz z xy 32Ω⎰⎰⎰⎰⎰⎰=xyxdz z dy y xdx 030210⎰⎰=xxy dy z y xdx 004210]4[⎰⎰=x dy y dx x 051054136412811012==⎰dx x .5. 计算3)1(z y x dxdydz+++Ω⎰⎰⎰, 其中Ω为平面x =0, y =0, z =0, x +y +z =1所围成的四面体. 解积分区域可表示为Ω={(x , y , z )| 0≤z ≤1-x -y , 0≤y ≤1-x , 0≤x ≤1},于是 3)1(z y x dxdydz +++Ω⎰⎰⎰⎰⎰⎰---+++=y x x dz z y x dy dx 1031010)1(1 ⎰⎰--++=x dy y x dx 10210]81)1(21[dx x x ⎰+-+=10]8183)1(21[)852(ln 21-=.提示: ⎰⎰⎰Ω+++3)1(z y x dxdydz ⎰⎰⎰---+++=y x x dz z y x dy dx 1031010)1(1 ⎰⎰---+++-=xyx dy z y x dx 1010210])1(21[⎰⎰--++=x dy y x dx 10210]81)1(21[ dx y y x x -⎰-++-=1010]81)1(21[dx x x ⎰+-+=10]8183)1(21[ 102]16183)1ln(21[x x x +-+= )852(ln 21-=.6. 计算xyzdxdydz Ω⎰⎰⎰, 其中Ω为球面x 2+y 2+z 2=1及三个坐标面所围成的在第一卦限内的闭区域.解积分区域可表示为}10 ,10 ,10|),,{(222≤≤-≤≤--≤≤=Ωx x y y x z z y x 于是xyzdxdydz Ω⎰⎰⎰⎰⎰⎰---=222101010x y x xyzdz dy dx⎰⎰---=210221)1(21x dy y x xy dx ⎰-=1022)1(81dx x x 481=.7. 计算xzdxdydz Ω⎰⎰⎰, 其中Ω是由平面z =0, z =y , y =1以及抛物柱面y =x 2所围成的闭区域.解积分区域可表示为Ω={(x , y , z )| 0≤z ≤y , x 2≤y ≤1, -1≤x ≤1}, 于是xzdxdydz Ω⎰⎰⎰⎰⎰⎰-=yx zdz dy xdx 01112⎰⎰-=1211221x dy y xdx 0)1(61116=-=⎰-dx x x .8. 计算zdxdydz Ω⎰⎰⎰, 其中Ω是由锥面22y x R h z +=与平面z =h (R >0, h >0)所围成的闭区域.解当0≤z ≤h 时, 过(0, 0, z )作平行于xOy 面的平面, 截得立体Ω的截面为圆D z :222)(z h R y x =+, 故D z的半径为z h R , 面积为222z h R π, 于是 zdxdydz Ω⎰⎰⎰=dxdy zdz zD h ⎰⎰⎰0⎰==h h R dz z h R 0223224ππ. 9. 利用柱面坐标计算下列三重积分:(1)zdv Ω⎰⎰⎰, 其中Ω是由曲面222y x z --=及z =x 2+y 2所围成的闭区域;解在柱面坐标下积分区域Ω可表示为 0≤θ≤2π, 0≤ρ≤1, 222ρρ-≤≤z , 于是zdv Ω⎰⎰⎰⎰⎰⎰-=122022ρρπρρθzdz d d⎰--=1042)2(212ρρρρπdπρρρρπ127)2(1053=--=⎰d .(2)dv y x )(22+Ω⎰⎰⎰, 其中Ω是由曲面x 2+y 2=2z 及平面z =2所围成的闭区域.解在柱面坐标下积分区域Ω可表示为0≤θ≤2π, 0≤ρ≤2, 222≤≤z ρ,于是dv y x)(22+Ω⎰⎰⎰dz d d θρρρ⋅=Ω⎰⎰⎰2⎰⎰⎰=22123202ρπρρθdz d d⎰⎰-=205320)212(ρρρθπd d ⎰==ππθ2031638d .10. 利用球面坐标计算下列三重积分:(1)dv z y x )(222++Ω⎰⎰⎰, 其中Ω是由球面x 2+y 2+z 2=1所围成的闭区域.解在球面坐标下积分区域Ω可表示为 0≤θ≤2π, 0≤ϕ≤π, 0≤r ≤1,于是 dv z y x )(222++Ω⎰⎰⎰θϕϕd drd r sin 4⋅=Ω⎰⎰⎰⎰⎰⎰=104020sin dr r d d ππϕϕθπ54=.(2)zdv Ω⎰⎰⎰, 其中闭区域Ω由不等式x 2+y 2+(z -a )2≤a 2, x 2+y 2≤z 2 所确定.解在球面坐标下积分区域Ω可表示为 ϕπϕπθcos 20 ,40 ,20a r ≤≤≤≤≤≤,于是 zdv Ω⎰⎰⎰θϕϕϕd drd r r sin cos 2⋅=Ω⎰⎰⎰⎰⋅=404)cos 2(41cos sin 2πϕϕϕϕπd a4405467cos sin 8a d a πϕϕϕππ==⎰.11. 选用适当的坐标计算下列三重积分:(1)xydv Ω⎰⎰⎰, 其中Ω为柱面x 2+y 2=1及平面z =1, z =0, x =0, y =0所围成的在第一卦限内的闭区域;解在柱面坐标下积分区域Ω可表示为 10 ,10 ,20≤≤≤≤≤≤z ρπθ,于是 xydv Ω⎰⎰⎰dz d d θρρθρθρ⋅⋅=Ω⎰⎰⎰sin cos⎰⎰⎰==101032081cos sin dz d d ρρθθθπ.别解: 用直角坐标计算⎰⎰⎰Ωxydv ⎰⎰⎰-=1010102dz ydy xdx x ⎰⎰-=21010x ydy xdx ⎰-=103)22(dx x x 81]84[1042=-=x x . (2)dv z y x 222++Ω⎰⎰⎰, 其中Ω是由球面x 2+y 2+z 2=z 所围成的闭区域;解在球面坐标下积分区域Ω可表示为 ϕπϕπθcos 0 ,20 ,20≤≤≤≤≤≤r ,于是dv z y x 222++Ω⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅=ϕππϕϕθcos 022020sin dr r r d d10cos 41sin 2204πϕϕϕππ=⋅=⎰d .(3)dv y x )(22+Ω⎰⎰⎰, 其中Ω是由曲面4z 2=25(x 2+y 2)及平面z =5所围成的闭区域;解在柱面坐标下积分区域Ω可表示为 525 ,20 ,20≤≤≤≤≤≤z ρρπθ,于是dv y x )(22+Ω⎰⎰⎰⎰⎰⎰=52520320ρπρρθdz d dπρρρπ8)255(2203=-=⎰d .(4)dv y x )(22+Ω⎰⎰⎰, 其中闭区域Ω由不等式A z y x a ≤++≤<2220, z ≥0所确定.解在球面坐标下积分区域Ω可表示为A r a ≤≤≤≤≤≤ ,20 ,20πϕπθ,于是 dv y x )(22+Ω⎰⎰⎰θϕϕθϕϕϕd drd r r r sin )sin sin cos sin (2222222+=Ω⎰⎰⎰)(154sin 55420320a A dr r d d Aa-==⎰⎰⎰πϕϕθππ.12. 利用三重积分计算下列由曲面所围成的立体的体积:(1)z =6-x 2-y 2及22y x z +=;解在柱面坐标下积分区域Ω可表示为 0≤θ≤2 π, 0≤ρ≤2, ρ≤z ≤6-ρ2,于是 dz d d dv V θρρΩΩ⎰⎰⎰⎰⎰⎰==⎰⎰⎰-=262020ρρπρρθdz d d⎰=--=2032332)6(2πρρρρπd .(2)x 2+y 2+z 2=2az (a >0)及x 2+y 2=z 2(含有z 轴的部分); 解在球面坐标下积分区域Ω可表示为ϕπϕπθcos 20 ,40 ,20a r ≤≤≤≤≤≤,于是 θϕϕd drd r dv V sin 2ΩΩ⎰⎰⎰⎰⎰⎰==⎰⎰⎰=ϕππϕϕθcos 2024020sin a dr r d d34033sin cos 382a d a πϕϕϕππ==⎰. (3)22y x z +=及z =x 2+y 2;解在柱面坐标下积分区域Ω可表示为 0≤θ≤2π, 0≤ρ≤1, ρ2≤z ≤ρ,于是 6)(2103210202πρρρπρρθρρπ=-===⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰Ωd dz d d dv V .(4)225y x z --=及x 2+y 2=4z .解在柱面坐标下积分区域Ω可表示为 22541 ,20 ,20ρρρπθ-≤≤≤≤≤≤z ,于是 ⎰⎰⎰-=22541220ρρπρρθdz d d V)455(32)45(22022-=--=⎰πρρρρπd .13. 球心在原点、半径为R 的球体, 在其上任意一点的密度的大小与这点到球心的距离成正比, 求这球体的质量.解密度函数为222),,(z y x k z y x ++=ρ. 在球面坐标下积分区域Ω可表示为 0≤θ≤2π, 0≤ϕ≤π, 0≤r ≤R ,于是 dv z y x k M 222++=Ω⎰⎰⎰40220sin R k dr r kr d d Rπϕϕθππ=⋅=⎰⎰⎰.习题9-41. 求球面x 2+y 2+z 2=a 2含在圆柱面x 2+y 2=ax 内部的那部分面积. 解位于柱面内的部分球面有两块, 其面积是相同的.由曲面方程z =222y x a --得222y x a x x z ---=∂∂, 222y x a y y z ---=∂∂, 于是 dxdy yz x z A axy x ⎰⎰≤+∂∂+∂∂+=2222)()(12dxdy yx a a axy x ⎰⎰≤+--=222222⎰⎰-=20cos 02214πθρρρθa d a d a )2(2)sin (4220-=-=⎰πθθπa d a a a .2. 求锥面z =22y x +被柱面z 2=2x 所割下的部分的曲面的面积.解由z =22y x +和z 2=2x 两式消z 得x 2+y 2=2x , 于是所求曲面在xOy 面上的投影区域D 为x 2+y 2≤2x .由曲面方程22y x +得22y x x x z +=∂∂, 22y x y y z +=∂∂, 于是 dxdy y z x z A y x ⎰⎰≤+-∂∂+∂∂+=1)1(2222)()(1π221)1(22==⎰⎰≤+-dxdy y x .3. 求底面半径相同的两个直交柱面x 2+y 2=R 2及x 2+z 2=R 2所围立体的表面积.解设A 1为曲面22x R z -=相应于区域D : x 2+y 2≤R 2上的面积. 则所求表面积为A =4A 1.dxdy y z x z A D ⎰⎰∂∂+∂∂+=22)()(14dxdy x R x D ⎰⎰+--+=22220)(14dxdy x R R D⎰⎰-=2242221681422R dx R dy x R dx R R R R R xR x R ==-=⎰⎰⎰-------. 4. 设薄片所占的闭区域D 如下, 求均匀薄片的质心:(1)D 由px y 2=, x =x 0, y =0所围成;解令密度为μ=1.因为区域D 可表示为px y x x 20 ,00≤≤≤≤, 所以 3002023220px dx px dy dx dxdy A x x px D====⎰⎰⎰⎰⎰, 0002053211100x dx px x A xdy dx A xdxdy A x x x px D====⎰⎰⎰⎰⎰,000208311100y pxdx A ydy dx A ydxdy A y x x px D====⎰⎰⎰⎰⎰,所求质心为)83 ,53(00y x(2)D 是半椭圆形闭区域}0 ,1 |),{(2222≥≤+y by a x y x ; 解令密度为μ=1. 因为闭区域D 对称于y 轴, 所以0=x . ab dxdy A Dπ21==⎰⎰(椭圆的面积),π34)(21112222022b dx x a a b A ydy dx A ydxdy A y aa aa x a Dab=-⋅===⎰⎰⎰⎰⎰---, 所求质心为)34 ,0(πb .(3)D 是介于两个圆r =a cos θ, r =b cos θ(0<a <b )之间的闭区域. 解令密度为μ=1. 由对称性可知0=y .)(4)2()2(2222a b a b dxdy A D-=-==⎰⎰πππ(两圆面积的差),)(2cos 212220cos cos b a ab b a dr r r d A xdxdy A x b a D+++=⋅⋅==⎰⎰⎰⎰πθθθθ, 所求质心是)0 ,)(2(22b a ab b a +++. 5. 设平面薄片所占的闭区域D 由抛物线y =x 2及直线y =x 所围成, 它在点(x , y )处的面密度μ(x , y )=x 2y , 求该薄片的质心.解 351)(21),(10641022=-===⎰⎰⎰⎰⎰dx x x ydy x dx dxdy y x M x x Dμ4835)(2111),(110751032=-===⎰⎰⎰⎰⎰dx x x M ydy x dx Mdxdy y x x M x x x Dμ, 5435)(3111),(1108510222=-===⎰⎰⎰⎰⎰dx x x Mdy y x dx Mdxdy y x y My x x Dμ, 质心坐标为)5435 ,4835(.6. 设有一等腰直角三角形薄片, 腰长为a , 各点处的面密度等于该点到直角顶点的距离的平方, 求这薄片的质心.解建立坐标系, 使薄片在第一象限, 且直角边在坐标轴上. 薄片上点(x , y )处的函数为μ=x 2+y 2. 由对称性可知y x =.4022061)(),(a dy y x dx dxdy y x M xa a D=+==⎰⎰⎰⎰-μ,a dy y x xdx Mdxdy y x x M y x xa aD52)(1),(1220=+===⎰⎰⎰⎰-μ,薄片的质心坐标为)52 ,52(a a .7. 利用三重积分计算下列由曲面所围成立体的质心(设密度ρ=1): (1)z 2=x 2+y 2, z =1;解由对称性可知, 重心在z 轴上, 故0==y x . π31==⎰⎰⎰Ωdv V (圆锥的体积),431120101===⎰⎰⎰⎰⎰⎰Ωπθr zdz rdr d V zdv V z ,所求立体的质心为)43 ,0 ,0(. (2)222y x A z --=, 222y x a z --=(A >a >0), z =0; 解由对称性可知, 重心在z 轴上, 故0==y x .)(3232323333a A a A dv V -=-==⎰⎰⎰Ωπππ(两个半球体体积的差),)(8)(3cos sin 1cos sin 133442000332a A a A dr r d d V d drd r V z A --===⎰⎰⎰⎰⎰⎰Ωππϕϕϕθθϕϕϕ,所求立体的质心为))(8)(3 ,0 ,0(3344a A a A --.(3)z =x 2+y 2, x +y =a , x =0, y =0, z =0.解 ⎰⎰⎰-+=a xa y x dz dy dx V 0022⎰⎰-+=a xa dy y x dx 022)(⎰-+-=adx x a x a x 032])(31)([461a =,⎰⎰⎰Ω=xdv V x 1a a a dz dy xdx V a x a yx52611511450022===⎰⎰⎰-+,a x y 52==,⎰⎰⎰Ω=zdv V z 1⎰⎰⎰-+=a x a y x zdz dy dx V 0002212307a =,所以立体的重心为)307,52,52(2a a a .8. 设球体占有闭区域Ω={(x , y , z )|x 2+y 2+z 2≤2Rz }, 它在内部各点的密度的大小等于该点到坐标原点的距离的平方, 试求这球体的质心.解球体密度为ρ=x 2+y 2+z 2. 由对称性可知质心在z 轴上, 即0==y x . 在球面坐标下Ω可表示为: ϕπϕπθcos 20 ,20 ,20R r ≤≤≤≤≤≤, 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅==Ωππϕϕϕθρ2020cos 2022sin R dr r r d d dv M⎰=2055cos sin 5322πϕϕϕπd R 51532R π=,⎰⎰⎰⎰⎰⎰Ω==ππϕϕϕϕθρ2020cos 205cos sin 11R dr r d d M zdv Mz R r R d R M 45153238cos sin 6642562076===⎰ππϕϕϕππ,故球体的质心为)45 ,0 ,0(R .9. 设均匀薄片(面密度为常数1)所占闭区域D 如下, 求指定的转动惯量:(1)}1 |),{(2222≤+=by a x y x D , 求I y ; 解积分区域D 可表示为22 ,x a ab y x a a b a x a -≤≤--≤≤-,于是 ⎰⎰⎰⎰⎰------===aa x a ab x a ab aaDy dx x a x a b dy dx x dxdy x I 2222222222b a 341π=.提示: 4202422282sin 2 sina tdt a t a x dx x a x aa ππ==-⎰⎰-. (2)D 由抛物线x y 292=与直线x =2所围成, 求I x 和I y ;解积分区域可表示为2/32/3 ,20x y x x ≤≤-≤≤,于是 57222273220232/32/32202====⎰⎰⎰⎰⎰-dx x dy y dx dxdy y I Dx x x , 796262252/32/32022====⎰⎰⎰⎰⎰-dx x dy dx x dxdy x I Dx x y . (3)D 为矩形闭区域{(x , y )|0≤x ≤a , 0≤y ≤b }, 求I x 和I y .解 331330202ab b a dy y dx dxdy y I Db a x =⋅===⎰⎰⎰⎰,331330022b a b a dy dx x dxdy x I Dba y =⋅===⎰⎰⎰⎰.10. 已知均匀矩形板(面密度为常量μ)的长和宽分别为b 和h , 计算此矩形板对于通过其形心且分别与一边平行的两轴的转动惯量.。

高等数学(同济第六版)课件第四、五章 3. 微积分基本公式

(sec x 1) sec xd sec x
2 2
4 0
sec4 xd sec x sec2 xd sec x
1 1 1 5 4 1 3 4 sec x 0 sec x 0 (4 2 1) ( 2 2 1) 5 3 5 3
4 0
2 sin x cos 2 x 1 ( 2) dx sin x d cos x d cos x cos x cos x cos x 3
1 (cos x )d cos x cos x 1 1 2 ( t )dt t ln t C t 2
mx n , ( p 2 4q 0) 型的积分基本类型4： 2 x px q mx n mx n 先将分母分解因式： 2 x px q ( x a )( x b ) mx n A B 由： ( x a )( x b ) x a x b
| sin x cos x | dx | sin x cos x | dx (cos x sin x )dx (sin x cos x )dx
4 0 4 0
2 0
2 4 2 4
(sin x cos x )
4 0
( cos x sin x )
2 4
( 2 1) ( 1 2 ) 2( 2 1)
y x 2 和 x y 2 所围成的图形的面积. 例2 求由曲线
解 A
1
0
xdx x 2dx
0
1
2 x 3
31 2
1 21 2 1 1 x 0 3 3 3 3 0

同济大学第六版高等数学上册课后答案全集(完整资料).doc

【最新整理，下载后即可编辑】高等数学第六版上册课后习题答案第一章习题1-11.设A=(-∞,-5)⋃(5,+∞),B=[-10, 3),写出A⋃B,A⋂B,A\B及A\(A\B)的表达式.解A⋃B=(-∞, 3)⋃(5,+∞),A⋂B=[-10,-5),A\B=(-∞,-10)⋃(5,+∞),A\(A\B)=[-10,-5).2.设A、B是任意两个集合,证明对偶律: (A⋂B)C=A C ⋃B C.证明因为x∈(A⋂B)C⇔x∉A⋂B⇔ x∉A或x∉B⇔ x∈A C或x∈B C⇔x∈A C ⋃B C,所以(A⋂B)C=A C ⋃B C.3.设映射f:X→Y,A⊂X,B⊂X.证明(1)f(A⋃B)=f(A)⋃f(B);(2)f(A⋂B)⊂f(A)⋂f(B).证明因为y∈f(A⋃B)⇔∃x∈A⋃B,使f(x)=y⇔(因为x∈A或x∈B) y∈f(A)或y∈f(B)⇔ y∈f(A)⋃f(B),所以f(A⋃B)=f(A)⋃f(B).(2)因为y∈f(A⋂B)⇒∃x∈A⋂B,使f(x)=y⇔(因为x∈A且x∈B) y∈f(A)且y∈f(B)⇒ y∈ f(A)⋂f(B),所以 f (A ⋂B )⊂f (A )⋂f (B ).4. 设映射f : X →Y , 若存在一个映射g : Y →X , 使X I f g = , Y I g f = , 其中I X 、I Y 分别是X 、Y 上的恒等映射, 即对于每一个x ∈X , 有I X x =x ; 对于每一个y ∈Y , 有I Y y =y . 证明: f 是双射, 且g 是f 的逆映射: g =f -1.证明因为对于任意的y ∈Y , 有x =g (y )∈X , 且f (x )=f [g (y )]=I y y =y , 即Y 中任意元素都是X 中某元素的像, 所以f 为X 到Y 的满射. 又因为对于任意的x 1≠x 2, 必有f (x 1)≠f (x 2), 否则若f (x 1)=f (x 2)⇒g [ f (x 1)]=g [f (x 2)] ⇒ x 1=x 2.因此f 既是单射, 又是满射, 即f 是双射.对于映射g : Y →X , 因为对每个y ∈Y , 有g (y )=x ∈X , 且满足f (x )=f [g (y )]=I y y =y , 按逆映射的定义, g 是f 的逆映射. 5. 设映射f : X →Y , A ⊂X . 证明: (1)f -1(f (A ))⊃A ;(2)当f 是单射时, 有f -1(f (A ))=A .证明 (1)因为x ∈A ⇒ f (x )=y ∈f (A ) ⇒ f -1(y )=x ∈f -1(f (A )), 所以 f -1(f (A ))⊃A .(2)由(1)知f -1(f (A ))⊃A .另一方面, 对于任意的x ∈f -1(f (A ))⇒存在y ∈f (A ), 使f -1(y )=x ⇒f (x )=y . 因为y ∈f (A )且f 是单射, 所以x ∈A . 这就证明了f -1(f (A ))⊂A . 因此f -1(f (A ))=A . 6. 求下列函数的自然定义域: (1)23+=x y ;解由3x +2≥0得32->x . 函数的定义域为) ,32[∞+-.(2)211xy -=;解由1-x 2≠0得x ≠±1. 函数的定义域为(-∞, -1)⋃(-1, 1)⋃(1, +∞).(3)211x xy --=;解由x ≠0且1-x 2≥0得函数的定义域D =[-1, 0)⋃(0, 1]. (4)241x y -=;解由4-x 2>0得 |x |<2. 函数的定义域为(-2, 2). (5)x y sin =;解由x ≥0得函数的定义D =[0, +∞). (6) y =tan(x +1);解由21π≠+x (k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅)得函数的定义域为12-+≠ππk x (k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅).(7) y =arcsin(x -3);解由|x -3|≤1得函数的定义域D =[2, 4]. (8)xx y 1arctan 3+-=;解由3-x ≥0且x ≠0得函数的定义域D =(-∞, 0)⋃(0, 3). (9) y =ln(x +1);解由x +1>0得函数的定义域D =(-1, +∞).(10)xe y 1=.解由x ≠0得函数的定义域D =(-∞, 0)⋃(0, +∞).7. 下列各题中, 函数f (x )和g (x )是否相同？为什么？ (1)f (x )=lg x 2, g (x )=2lg x ; (2) f (x )=x , g (x )=2x ;(3)334)(x x x f -=,31)(-=x x x g . (4)f (x )=1, g (x )=sec 2x -tan 2x .解 (1)不同. 因为定义域不同.(2)不同. 因为对应法则不同, x <0时, g (x )=-x . (3)相同. 因为定义域、对应法则均相相同. (4)不同. 因为定义域不同.8.设⎪⎩⎪⎨⎧≥<=3||03|| |sin |)(ππϕx x x x , 求)6(πϕ, )4(πϕ, )4(πϕ-, ϕ(-2), 并作出函数y =ϕ(x )的图形.解 21|6sin |)6(==ππϕ, 22|4sin |)4(==ππϕ, 22|)4sin(|)4(=-=-ππϕ, 0)2(=-ϕ.9. 试证下列函数在指定区间内的单调性: (1)xx y -=1, (-∞, 1);(2)y =x +ln x , (0, +∞).证明 (1)对于任意的x 1, x 2∈(-∞, 1), 有1-x 1>0, 1-x 2>0. 因为当x 1<x 2时,0)1)(1(112121221121<---=---=-x x x x x x x x y y ,所以函数xx y -=1在区间(-∞, 1)内是单调增加的. (2)对于任意的x 1, x 2∈(0, +∞), 当x 1<x 2时, 有0ln)()ln ()ln (2121221121<+-=+-+=-x x x x x x x x y y ,所以函数y =x +ln x 在区间(0, +∞)内是单调增加的.10. 设 f (x )为定义在(-l , l )内的奇函数, 若f (x )在(0, l )内单调增加, 证明f (x )在(-l , 0)内也单调增加.证明对于∀x 1, x 2∈(-l , 0)且x 1<x 2, 有-x 1, -x 2∈(0, l )且-x 1>-x 2. 因为f (x )在(0, l )内单调增加且为奇函数, 所以f (-x 2)<f (-x 1), -f (x 2)<-f (x 1), f (x 2)>f (x 1),这就证明了对于∀x 1, x 2∈(-l , 0), 有f (x 1)< f (x 2), 所以f (x )在(-l , 0)内也单调增加.11. 设下面所考虑的函数都是定义在对称区间(-l , l )上的, 证明:(1)两个偶函数的和是偶函数, 两个奇函数的和是奇函数; (2)两个偶函数的乘积是偶函数, 两个奇函数的乘积是偶函数, 偶函数与奇函数的乘积是奇函数.证明 (1)设F (x )=f (x )+g (x ). 如果f (x )和g (x )都是偶函数, 则 F (-x )=f (-x )+g (-x )=f (x )+g (x )=F (x ),所以F (x )为偶函数, 即两个偶函数的和是偶函数. 如果f (x )和g (x )都是奇函数, 则F (-x )=f (-x )+g (-x )=-f (x )-g (x )=-F (x ),所以F (x )为奇函数, 即两个奇函数的和是奇函数.(2)设F (x )=f (x )⋅g (x ). 如果f (x )和g (x )都是偶函数, 则 F (-x )=f (-x )⋅g (-x )=f (x )⋅g (x )=F (x ),所以F (x )为偶函数, 即两个偶函数的积是偶函数. 如果f (x )和g (x )都是奇函数, 则F (-x )=f (-x )⋅g (-x )=[-f (x )][-g (x )]=f (x )⋅g (x )=F (x ), 所以F (x )为偶函数, 即两个奇函数的积是偶函数. 如果f (x )是偶函数, 而g (x )是奇函数, 则F (-x )=f (-x )⋅g (-x )=f (x )[-g (x )]=-f (x )⋅g (x )=-F (x ), 所以F (x )为奇函数, 即偶函数与奇函数的积是奇函数.12. 下列函数中哪些是偶函数, 哪些是奇函数, 哪些既非奇函数又非偶函数？ (1)y =x 2(1-x 2); (2)y =3x 2-x 3;(3)2211xx y +-=;(4)y =x (x -1)(x +1); (5)y =sin x -cos x +1;(6)2x x a a y -+=. 解 (1)因为f (-x )=(-x )2[1-(-x )2]=x 2(1-x 2)=f (x ), 所以f (x )是偶函数.(2)由f (-x )=3(-x )2-(-x )3=3x 2+x 3可见f (x )既非奇函数又非偶函数. (3)因为())(111)(1)(2222x f x x x x x f =+-=-+--=-, 所以f (x )是偶函数.(4)因为f (-x )=(-x )(-x -1)(-x +1)=-x (x +1)(x -1)=-f (x ), 所以f (x )是奇函数.(5)由f (-x )=sin(-x )-cos(-x )+1=-sin x -cos x +1可见f (x )既非奇函数又非偶函数. (6)因为)(22)()()(x f a a a a x f x x x x =+=+=-----,所以f (x )是偶函数.13. 下列各函数中哪些是周期函数？对于周期函数, 指出其周期:(1)y =cos(x -2);解是周期函数, 周期为l =2π. (2)y =cos 4x ;解是周期函数, 周期为2π=l .(3)y =1+sin πx ;解是周期函数, 周期为l =2. (4)y =x cos x ;解不是周期函数. (5)y =sin 2x .解是周期函数, 周期为l =π. 14. 求下列函数的反函数:(1)31+=x y 错误!未指定书签。

同济大学高等数学第六版第五章课后习题答案（包括5.1,5.2,5.3,5.4,总习题五）

同济大学高等数学第六版第五章课后习题答案（包括5.1,5.2,5.3,5.4,总习题五）习题5-11. 利用定积分定义计算由抛物线y =x 2+1, 两直线x =a 、x =b(b >a )及横轴所围成的图形的面积.解第一步: 在区间[a , b ]内插入n -1个分点i n a b a x i -+=(i =1, 2, , n -1), 把区间[a , b ]分成n 个长度相等的小区间, 各个小区间的长度为: na b x i -=?(i =1, 2, , n ).第二步: 在第i 个小区间[x i -1, x i ] (i =1, 2, , n )上取右端点i n a b a x i i -+==ξ, 作和n a b i n a b a x f S ni i i n i n -?+-+=?=∑∑==]1)[()(211ξ∑=+-+-+-=ni i na b i n a b a a n a b 12222]1)()(2[ ]6)12)(1()(2)1()(2[)(222n n n n n a b n n n a b a na n a b +++?-++?-+-= ]16)12)(1()()1)(()[(222+++-++-+-=nn n a b n n a b a a a b . 第三步: 令λ=max{?x 1, ?x 2, , ?x n }na b -=, 取极限得所求面积∑?=→?==ni i i ba x f dx x f S 1)(lim )(ξλ]16)12)(1()()1)(()[(lim 222+++-++-+-=∞→nn n a b n n a b a a a b n a b a b a b a b a a a b -+-=+-+-+-=)(31]1)(31)()[(3322.2. 利用定积分定义计算下列积分:(1)xdx ba(a解取分点为i na b a x i -+=(i =1, 2, , n -1), 则n a b x i -=?(i =1, 2,, n ). 在第i 个小区间上取右端点i na b a x i i -+==ξ(i =1, 2, , n ). 于是∑∑?=∞→=∞→-?-+=?=ni n n i i i n ba n ab i n a b a x xdx 11)(lim lim ξ )(21]2)1()()([lim )(22222a b n n n a b a b a a b n -=+-+--=∞→. (2)dx e x ?10.解取分点为n i x i =(i =1, 2, , n -1), 则nx i 1=?(i =1, 2, , n ). 在第i 个小区间上取右端点ni x i i ==ξ(i =1, 2, , n ). 于是) (1lim 1lim 21110n n n n n n i n i n xe e e n n e dx e +++==∞→=∞→∑?1)1(]1[lim1])(1[1lim 11111-=--=--?=∞→∞→e e n e e ee e nnnn nnn n n .3. 利用定积分的几何意义, 说明下列等式: (1)1210=?xdx ;解12xdx 表示由直线y =2x 、x 轴及直线x =1所围成的面积,显然面积为1. (2)41102π=-?dx x ;解-121dx x 表示由曲线21x y -=、x 轴及y 轴所围成的四分之一圆的面积, 即圆x 2+y 2=1的面积的41:414112102ππ=??=-?dx x .(3)?-=ππ0sin xdx ;解由于y =sin x 为奇函数, 在关于原点的对称区间[-π, π]上与x 轴所夹的面积的代数和为零, 即-=ππ0sin xdx .(4)??=-2022cos 2cos πππxdx xdx .解-22cos ππxdx 表示由曲线y =cos x 与x 轴上]2,2[ππ-一段所围成的图形的面积. 因为cos x 为偶函数, 所以此图形关于y 轴对称. 因此图形面积的一半为?20cos πxdx , 即=-2022cos 2cos πππxdx xdx .4. 水利工程中要计算拦水闸门所受的水压力, 已知闸门上水的压强p (单位面积上的压力大小)是水深h 的函数, 且有p =9?8h (kN/m 2). 若闸门高H =3m , 宽L =2m , 求水面与闸门顶相齐时闸门所受的水压力P .解建立坐标系如图. 用分点i nH x i =(i =1, 2, , n -1)将区间[0,H ]分为n 分个小区间, 各小区间的长为n H x i =?(i =1, 2, , n ).在第i 个小区间[x i -1, x i ]上, 闸门相应部分所受的水压力近似为P i =9.8x i L ??x i . 闸门所受的水压力为∑∑=∞→=∞→?==ni n ni i i n n H i n H L x L x P 11lim 8.98.9lim 228.42)1(lim 8.9H L nn n H L n ?=+?=∞→.将L =2, H =3代入上式得P =88.2(千牛). 5. 证明定积分性质: (1)??=babadx x f k dx x kf )()(;证明∑?=→?=n i iibax kf dx x kf 1)(lim )(ξλ?∑=?==→bani iidx x f k x f k )()(lim 1ξλ(2)a b dx dx baba-==1.证明a b a b x x dx ni in i iba-=-=?=??=?→=→=→∑∑?)(lim lim 1lim 1011λλλ. 6. 估计下列各积分的值: (1)?+412)1(dx x ;解因为当1≤x ≤4时, 2≤x 2+1≤17, 所以 )14(17)1()14(24 12-?≤+≤-??dx x ,即 51)1(6412≤+≤?dx x .(2)?+ππ4542)sin 1(dx x ;解因为当ππ454≤≤x 时, 1≤1+sin 2x ≤2, 所以)445(2)sin 1()445(14542ππππππ-?≤+≤-??dx x , 即ππππ2)sin 1(442≤+≤?dx x .(3)?331arctan xdx x ;解先求函数f (x )=x arctan x 在区间]3 ,3 1[上的最大值M 与最小值m .21arctan )(x x x x f ++='. 因为当331≤≤x 时, f '(x )>0, 所以函数f (x )=x arctan x 在区间]3 ,31[上单调增加. 于是3631arctan 31)31(π===f m ,33arctan 3)3(π===f M .因此 )313(3arctan )313(36331-≤≤-?ππxdx x ,即 32arctan 9331ππ≤≤?xdx x .(4)?-022dx e xx.解先求函数xxe xf -=2)(在区间[0, 2]上的最大值M 与最小值m . )12()(2-='-x e x f xx, 驻点为21=x .比较f (0)=1, f (2)=e 2, 41)21(-=e f , 得41-=e m , M =e 2. 于是)02()02(22412-?≤≤-?--e dx e e xx,即 41022222---≤≤-?e dx dx ee xx .7. 设f (x )及g (x )在[a , b ]上连续, 证明:(1)若在[a , b ]上, f (x )≥0, 且0)(=?ba dx x f , 则在[a ,b ]上f (x )≡0;证明假如0/)(≡x f , 则必有f (x )>0. 根据f (x )在[a , b ]上的连续性, 在[a , b ]上存在一点x 0, 使f (x 0)>0, 且f (x 0)为f (x )在[a , b ]上的最大值.再由连续性, 存在[c , d ]?[a , b ], 且x 0∈[c , d ], 使当x ∈[c , d ]时,2)()(0x f x f >. 于是++=bd cc abadx x f dx x f dx x f dx x f )()()()(0)(2)()(0>-≥≥?c d x f dx x f dc. 这与条件0)(=?badx x f 相矛盾. 因此在[a , b ]上f (x )≡0.(2)若在[a , b ]上, f (x )≥0, 且0/)(≡x f , 则0)(>?badx x f ;证明证法一因为f (x )在[a , b ]上连续, 所以在[a , b ]上存在一点x 0, 使f (x 0)>0, 且f (x 0)为f (x )在[a , b ]上的最大值.再由连续性, 存在[c , d ]?[a , b ], 且x 0∈[c , d ], 使当x ∈[c , d ]时,2)()(0x f x f >. 于是 ??>-≥≥b a d c c d x f dx x f dx x f 0)(2)()()(0.证法二因为f (x )≥0, 所以0)(≥?badx x f . 假如0)(>?badx x f 不成立. 则只有0)(=?bdx x f ,根据结论(1), f (x )≡0, 矛盾. 因此0)(>?badx x f .(3)若在[a , b ]上, f (x )≤g (x ), 且??=bab adx x g dx x f )()(, 则在[a , b ]上f (x )≡g (x ).证明令F (x )=g (x )-f (x ), 则在[a , b ]上F (x )≥0且0)()()]()([)(=-=-=?bab ab ab adx x f dx x g dx x f x g dx x F ,由结论(1), 在[a , b ]上F (x )≡0, 即f (x )≡g (x ).4. 根据定积分的性质及第7题的结论, 说明下列积分哪一个的值较大:(1)?12dx x 还是?13dx x ？解因为当0≤x ≤1时, x 2≥x 3, 所以??≥13102dx x dx x .又当0<="">x 3, 所以??>13102dx x dx x .(2)?212dx x 还是?213dx x ？解因为当1≤x ≤2时, x 2≤x 3, 所以??≤213212dx x dx x .又因为当1<="" bdsfid="654" p="" x="" ≤2时,=""> <="" bdsfid="657" p="">, 所以??<213212dx x dx x .(3)?21ln xdx 还是?212)(ln dx x ？解因为当1≤x ≤2时, 0≤ln x <1, ln x ≥(ln x )2, 所以≥21221)(ln ln dx x xdx .又因为当1(ln x )2, 所以>21221)(ln ln dx x xdx .(4)?1xdx 还是?+1)1ln(dx x ？解因为当0≤x ≤1时, x ≥ln(1+x ), 所以??+≥11)1ln(dx x xdx .又因为当0ln(1+x ), 所以??+>110)1ln(dx x xdx .(5)?10dx e x 还是?+1)1(dx x ？解设f (x )=e x -1-x , 则当0≤x ≤1时f '(x ) =e x -1>0, f (x )=e x -1-x 是单调增加的. 因此当0≤x ≤1时, f (x )≥f (0)=0, 即e x ≥1+x , 所以+≥110)1(dx x dx e x .又因为当0<="" ≤1时,="">>1+x , 所以??+>110)1(dx x dx e x .习题5-21. 试求函数?=xtdt y 0sin 当x =0及4π=x 时的导数.解 x tdt dx dy x sin sin 0=='?, 当x =0时, y '=sin0=0;当4π=x 时, 224sin =='πy . 2. 求由参数表示式?=t udu x 0sin , ?=tudu y 0cos 所给定的函数y对x 的导数.解 x '(t )=sin t , y '(t )=cos t , t t x t y dx dy cos )()(=''=.3. 求由??=+xyt tdt dt e 00cos 所决定的隐函数y 对x 的导数dxdy. 解方程两对x 求导得 0cos =+'x y e y ,于是 y ex dx dy cos -=. 4. 当x 为何值时, 函数?-=xt dt te x I 02)(有极值？解 2)(x xe x I -=', 令I '(x )=0, 得x =0.因为当x <0时, I '(x )<0; 当x >0时, I '(x )>0, 所以x =0是函数I (x )的极小值点. 5. 计算下列各导数: (1)?+2021x dtt dxd ;解 dx du dt t du d dt t dx d u ux x ?+====+??=02021122令421221x x x u +=?+=.(2)?+32411x x dt tdx d ; 解 +++=+323204044111111x x x x dt t dx d dt t dx d dt t dx d ??+++-=3204041111x x dt t dx d dt t dx d )()(11)()(11343242'?++'?+-=x x x x 12281312x x x x +++-=. (3)?x xdt t dx d cos sin 2)cos(π. 解+-=x x x x dt t dx d dt t dx d dt t dx d cos 02sin 02cos sin 2)cos()cos()cos(πππ))(cos cos cos())(sin sin cos(22'+'-=x x x x ππ )cos cos(sin )sin cos(cos 22x x x x ππ?-?-= )sin cos(sin )sin cos(cos 22x x x x πππ-?-?-= )sin cos(sin )sin cos(cos 22x x x x ππ?+?-= )sin cos()cos (sin 2x x x π-=6. 计算下列各定积分: (1)?+-adx x x 02)13(;解a a a x x x dx x x a a+-=+-=+-?230230221|)21()13(. (2)?+2142)1(dx x x ;解 852)11(31)22(31|)3131()1(333321332142=---=-=+---?x x dx x x . (3)?+94)1(dx x x ;解 94223942194|)2132()()1(x x dx x x dx x x +=+=+?? 6145)421432()921932(223223=+-+=.(4)?+33121x dx; 解 66331arctan 3arctan arctan 13313312πππ=-=-==+?x x dx . (5)?--212121x dx ; 解3)6(6)21arcsin(21arcsin arcsin 1212121212πππ=--=--==---?x x dx .(6)?+ax a dx3022; 解 aa a axa x a dx a a 30arctan 13arctan 1arctan 1303022π=-==+?.(7)?-1024x dx ; 解60arcsin 21arcsin 2arcsin 410102π=-==-?x x dx . (8)dx x x x ?-+++012241133; 解 013012201224|)arctan ()113(1133---+=++=+++??x x dx x x dx x x x 41)1arctan()1(3π+=----=.(9)?---+211e x dx;解 1ln 1ln ||1|ln 12121-=-=+=+------?e x x dx e e . (10)?402tan πθθd ;解4144tan )(tan )1(sec tan 4040242πππθθθθθθπππ-=-=-=-=??d d .(11)dx x ?π20|sin |;解-=ππππ2020sin sin |sin |xdx xdx dx xπππ20cos cos x x +-==-cos π +cos0+cos2π-cos π=4.(12)?2)(dx x f , 其中>≤+=12111)(2x x x x x f .解 38|)61(|)21(21)1()(2131022121020=++=++=x x x dx x dx x dx x f . 7. 设k 为正整数. 试证下列各题: (1)?-=ππ0cos kxdx ;证明--=--==ππππππ0)(sin 1sin 1|sin 1cos k kk k kx k kxdx . (2)?-=ππ0sin kxdx ;证明)(cos 1cos 1cos 1sin ππππππ-+-=-=--?k kk k x k k kxdx0cos 1cos 1=+-=ππk k k k .(3)?-=πππkxdx 2cos ;证明πππππππ=+=+=---??|)2sin 21(21)2cos 1(21cos 2kx kx dx kx kxdx . (4)?-=πππkxdx 2sin .证明πππππππ=-=-=---??|)2sin 21(21)2cos 1(21sin 2kx kx dx kx kxdx . 8. 设k 及l 为正整数, 且k ≠l . 试证下列各题: (1)?-=ππ0sin cos lxdx kx ;证明 ??----+=ππππdx x l k x l k lxdx kx ])sin()[sin(21sin cos(21[])cos()(21[=----++-=--ππππx l k l k x l k l k . (2)?-=ππ0cos cos lxdx kx ;证明 ??---++=ππππdx x l k x l k lxdx kx ])cos()[cos(21cos cos 0])sin() (21[])sin()(21[=--+++=--ππππx l k l k x l k l k . (3)?-=ππ0sin sin lxdx kx .证明 ??----+-=ππππdx x l k x l k lxdx kx ])cos()[cos(21sin sin . 0])sin() (21[])sin()(21[=--+++-=--ππππx l k l k x l k l k . 9. 求下列极限: (1)xdt t xx ?→020cos lim ;解 11cos lim cos lim20020==→→?x xdt t x xx .t xt x dttedt e 022 0022)(lim.解 22222202200)(2lim ) (limx xt x t x xt xt x xedt e dt e dt te dt e '=→→222220202lim 2lim x x t x x x x t x xe dte xe edt e ??→→=?=2212lim 22lim 2020222=+=+=→→xe x e e x x x x x .10. 设?∈∈=]2 ,1[]1 ,0[)(2x x x x x f . 求?=x dt t f x 0)()(?在[0, 2]上的表达式, 并讨论?(x )在(0, 2)内的连续性.解当0≤x ≤1时, 302031)()(x dt t dt t f x xx ===;当1<="">6121212131)()(2211020-=-+=+==x x tdt dt t dt t f x xx.因此≤<-≤≤=21 612110 31)(23x x x x x ?.因为31)1(=?, 3131lim )(lim 30101==-→-→x x x x ?, 316121)6121(lim )(lim 20101=-=-=+→+→x x x x ?, 所以?(x )在x =1处连续, 从而在(0, 2)内连续.11. 设><≤≤=ππx x x x x f 或000sin 21)(. 求?=xdt t f x 0)()(?在(-∞, +∞)内的表达式. 解当x <0时,00)()(0===??xxdt dt t f x ?;当0≤x ≤π时,21cos 21|cos 21sin 21)()(000+-=-===??x t tdt dt t f x x xx;当x >π时, πππ000|cos 210sin 21)()(t dt tdt dt t f x x x-=+==??10cos 21cos 21=+-=π.因此 ??≥≤≤-<=ππ?x x x x x 10)cos 1(2100)(.12. 设f (x )在[a , b ]上连续, 在(a , b )内可导且f '(x )≤0, -=x a dt t f ax x F )(1)(. 证明在(a , b )内有F '(x )≤0.证明根据积分中值定理, 存在∈[a , x ], 使))(()(a x f dt t f xaξ.于是有)(1)()(1)(2x f ax dt t f a x x F x a -+--='? ))(()(1)(12a x f a x x f a x ----=ξ )]()([1ξf x f ax --=. 由f '(x )≤0可知f (x )在[a , b ]上是单调减少的, 而a ≤ξ≤x , 所以f (x )-f (ξ)≤0. 又在(a , b )内, x -a >0, 所以在(a , b )内0)]()([1)(≤--='ξf x f ax x F .习题5-31. 计算下列定积分: (1)?+πππ2)3sin(dx x ;解0212132cos 34cos )3cos()3sin(22=-=+-=+-=+?ππππππππx dx x . (2)?-+123)511(x dx ;解51251110116101)511(2151)511(22122123=?+?-=+-?=+-----?x x dx . (3)?203cos sin πd ;解-=203sin cos cos sin ππd s d410cos 412cos 41cos 4144204=+-=-=π?π. (4)?-πθθ03)sin 1(d ;解+=-πππθθθθθ0203cos sin )sin 1(d d d-+=ππθθθ020cos )cos 1(d34)cos 31(cos 03-=-+=πθθππ.(5)?262cos ππudu ;解 22262622sin 4121)2cos 1(21cos ππππππππu u du u udu +=+=?? 836)3sin (sin 41)62(21-=-+-=πππππ.(6)dx x ?-2022;解tdt t dx x t x cos 2cos 2 220sin 222======-=π令dt t ?+=2)2cos 1(π2)2sin 21(20ππ=+=t t . (7)dy y ?--22228;解dy y dy y ?---=-2222224228-=?=====44sin 2cos 2cos 22ππxdx x x y 令?-+=44)2cos 1(22ππdx x)2(2)2sin 21(224+=+=-πππy x . (8)?-121221dx x x ; 解=====-=242sin 12122cos sin cos 1ππtdt tt dx x x tx 令 41)cot ()1sin 1(2422πππππ-=--=-=?t t dt t. (9)?-adx x a x 0222;解=====-=2022sin 0222cos cos sin πtdt a t a t a dx x a x t a x a令=20242sin 4πtdt a 164sin 328)4cos 1(84204204204ππππa t a t a dt t a =-=-=?. (10)?+31221xx dx ;解=====+=3422tan 3122sec sec tan 11ππtdt t t x x dx tx 令 3322sin 1sin cos 3432-=-==?ππππt dt t t .(11)?--1145xxdx ; 解 61)315(81)5(81451313324511=--=-======-??=--u u du u x xdx u x 令. (12) ?+411x dx;解 221112141=?+=====+??=udu u x dx u x 令 )32ln 1(2)|1|ln (2)111(2121+=+-=+-?u u du u .。

同济大学数学系高等数学第6版笔记和课后习题答案

第1章函数与极限1.1 复习笔记一、映射与函数1．集合（1）集合概念集合（简称集）是指具有某种特定性质的事物的总体，组成这个集合的事物称为该集合的元素（简称元）。

常用大写拉丁字母A，B，C，…表示集合，用小写拉丁字母a，b，c，…表示集合的元素。

如果a是集合A的元素，就说a属于A，记作a∈A；如果a不是集合A的元素，就说a不属于A，记作a A。

一个集合，若它只含有有限个元素，则称为有限集；不是有限集的集合称为无限集。

（2）表示集合的方法通常有以下两种：①列举法，就是把集合的全体元素一一列举出来表示；②描述法，若集合M是由具有某种性质P的元素x的全体所组成的，就可表示成M＝{x|具有性质P}。

（3）常见的集合①空集，指不包含任何元素的集合，记为φ；②非负整数集，全体非负整数即自然数的集合，记作N，即N＝{0，1，2，…，n，…}；③正整数集，全体正整数的集合，记作，即＝{1，2，3，…，n，…}；④整数集，全体整数的集合，记作Z，即Z＝{…，－n，…，－2，－1，0，1，2，…，n，…}；⑤有理数集，全体有理数的集合，记作Q，即Q＝{∈z，q∈且P与q互质}；⑥实数集，全体实数的集合，记作R，R为排除数0的实数集，为全体正实数的集合。

（4）集合的关系①包含关系设A、B是两个集合，如果集合A的元素都是集合B的元素，则称A是B的子集，记作A B（读作A包含于B）或B A（读作B包含A）。

规定空集φ是任何集合A的子集，即φA。

若且，则称A是B的真子集，记作（读作A真包含于B）。

②等价关系若集合A与集合B互为子集，即A B且B A，则称集合A与集合B相等，记作A＝B。

（5）集合的运算①并、交、差a．并集设A、B是两个集合，由所有属于A或者属于B的元素组成的集合，称为A与B的并集（简称并），记作，即。

b．交集由所有既属于A又属于B的元素组成的集合，称为A与B的交集（简称交），记作，即。

c．差集由所有属于A而不属于B的元素组成的集合，称为A与B的差集（简称差），记作A＼B，即。

同济第六版高数答案(高等数学课后习题解答)

习题3-31. 按(x -4)的幂展开多项式x 4-5x 3+x 2-3x +4. 解设f (x )=x 4-5x 3+x 2-3x +4. 因为 f (4)=-56,f '(4)=(4x 3-15x 2+2x -3)|x =4=21, f ''(4)=(12x 2-30x +2)|x =4=74, f '''(4)=(24x -30)|x =4=66, f (4)(4)=24, 所以4)4(32)4(!4)4()4(!3)4()4(!2)4()4)(4()4()(-+-'''+-''+-'+=x f x f x f x f f x f =-56+21(x -4)+37(x -4)2+11(x -4)3+(x -4)4. 2. 应用麦克劳林公式, 按x 幂展开函数f (x )=(x 2-3x +1)3. 解因为f '(x )=3(x 2-3x +1)2(2x -3),f ''(x )=6(x 2-3x +1)(2x -3)2+6(x 2-3x +1)2=30(x 2-3x +1)(x 2-3x +2), f '''(x )=30(2x -3)(x 2-3x +2)+30(x 2-3x +1)(2x -3)=30(2x -3)(2x 2-6x +3), f (4)(x )=60(2x 2-6x +3)+30(2x -3)(4x -6)=360(x 2-3x +2), f (5)(x )=360(2x -3), f (6)(x )=720;f (0)=1, f '(0)=-9, f ''(0)=60, f '''(0)=-270, f (4)(0)=720, f (5)(0)=-1080, f (6)(0)=720, 所以6)6(5)5(4)4(32!6)0(!5)0(!4)0(!3)0(!2)0()0()0()(x f x f x f x f x f x f f x f +++'''+''+'+==1-9x +30x 3-45x 3+30x 4-9x 5+x 6.3. 求函数x x f =)(按(x -4)的幂展开的带有拉格朗日型余项的3阶泰勒公式. 解因为24)4(==f , 4121)4(421=='=-x x f , 32141)4(423-=-=''=-x x f , 328383)4(425⋅=='''=-x x f , 27)4(1615)(--=x x f , 所以4)4(32)4(!4)()4(!3)4()4(!2)4()4)(4()4(-+-'''+-''+-'+=x f x f x f x f f x ξ4732)4()]4(4[1615!41)4(5121)4(641)4(412--+⋅--+---+=x x x x x θ(0<θ<1). 4. 求函数f (x )=ln x 按(x -2)的幂展开的带有佩亚诺型余项的n 阶泰勒公式. 解因为f '(x )=x -1, f ''(x )=(-1)x -2, f '''(x )=(-1)(-2)x -3 , ⋅ ⋅ ⋅ , nn nn x n x n x f )!1()1()1( )2)(1()(1)(--=+-⋅⋅⋅--=--; kk k k f 2)!1()1()2(1)(--=-(k =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅, n +1), 所以])2[()2(!)2( )2(!3)2()2(!2)2()2)(2()2(ln )(32n n n x o x n f x f x f x f f x -+-+⋅⋅⋅+-'''+-''+-'+=])2[()2(2)1( )2(231)2(221)2(212ln 13322n n n n x o x n x x x -+-⋅-+⋅⋅⋅--⋅+-⋅--+=-. 5. 求函数x x f 1)(=按(x +1)的幂展开的带有拉格朗日型余项的n 阶泰勒公式. 解因为f (x )=x -1, f '(x )=(-1)x -2, f ''(x )=(-1)(-2)x -3 , ⋅ ⋅ ⋅ , 1)1()(!)1()( )2)(1()(++--=-⋅⋅⋅--=n n n n xn xn x f ; !)1(!)1()1(1)(k k fk k k -=--=-+(k =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅, n ),所以 )1(!3)1()1(!2)1()1)(1()1(132⋅⋅⋅++-'''++-''++-'+-=x f x f x f f x1)1()()1()!1()()1(!)1(++++++-+n n nn x n f x n f ξ 12132)1()]1(1[)1(])1( )1()1()1(1[++++++--+++⋅⋅⋅+++++++-=n n n nx x x x x x θ (0<θ<1). 6. 求函数f (x )=tan x 的带有拉格朗日型余项的3阶麦克劳林公式. 解因为 f '(x )=sec 2x ,f ''(x )=2sec x ⋅sec x ⋅tan x =2sec 2x ⋅tan x ,f '''(x )=4sec x ⋅sec x ⋅tan 2x +2sec 4x =4sec 2x ⋅tan 2x +2sec 4x ,f (4)(x )=8sec 2x ⋅tan 3x +8sec 4x ⋅tan x +8sec 4x ⋅tan x xx x 52cos )2(sin sin 8+=;f (0)=0, f '(0)=1, f ''(0)=0, f '''(0)=2,所以 4523)(c o s 3]2)()[s i n s i n (31t a nx x x x x x x θθθ+++=(0<θ<1). 7. 求函数f (x )=xe x 的带有佩亚诺型余项的n 阶麦克劳林公式. 解因为 f '(x )=e x +xe x ,f ''(x )=e x +e x +xe x =2e x +xe x , f '''(x )=2e x +e x +xe x =3e x +xe x , ⋅ ⋅ ⋅, f (n )(x )=ne x +xe x ; f (k )(0)=k (k =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅, n ),所以 )(!)0( !3)0(!2)0()0()0()(32n nn xx o x n f x f x f x f f xe ++⋅⋅⋅⋅+'''+''+'+=)()!1(1 !2132n n x o x n x x x +-⋅⋅⋅+++=.8. 验证当210≤≤x 时, 按公式62132x x x e x +++≈计算e x 的近似值时, 所产生的误差小于0.01, 并求e 的近似值, 使误差小于0.01.解因为公式62132x x x e x+++≈右端为e x 的三阶麦克劳林公式, 其余项为 43!4)(x e x R ξ=, 所以当210≤≤x 时，按公式62132x x x e x +++≈计算e x 的误差 01.00045.0)21(!43|!4||)(|42143<≈≤=x e x R ξ.645.1)21(61)21(212113221≈⋅+⋅++≈=e e .9. 应用三阶泰勒公式求下列各数的近似值, 并估计误差: (1)330; (2)sin18︒.解 (1)设3)(x x f =, 则f (x )在x 0=27点展开成三阶泰勒公式为2353233)27)(2792(!21)27(273127)(-⋅-⋅+-⋅+==--x x x x f4311338)27)(8180(!41)27)(272710(!31--⋅+-⋅⋅+--x x ξ(ξ介于27与x 之间).于是33823532333)272710(!313)2792(!21327312730⋅⋅⋅+⋅⋅-⋅+⋅⋅+≈---10724.3)3531311(31063≈+-+≈, 其误差为5114311431131088.13!4803278180!41|3)8180(!41||)30(|---⨯=⋅=⋅⋅⋅<⋅-⋅=ξR .(2) 已知43!4s i n !31s i n x x x x ξ+-=(ξ介于0与x 之间),所以 sin 18︒3090.0)10(!311010sin 3≈-≈=πππ,其误差为44431003.2)10(!46sin |)10(!4sin ||)10(|-⨯=<=πππξπR . 10. 利用泰勒公式求下列极限: (1))23(lim 434323x x x x x --++∞→;(2))]1ln([cos lim2202x x x e x x x -+--→;(3)2220sin )(cos 1211lim 2x e x x x x x -+-+→. 解 (1)tt t xx x x x x x t x x 430434343232131lim 12131lim)23(lim --+=--+=--++→+∞→+∞→.因为)(1313t o t t ++=+,)(211214t o t t +-=-, 所以23])(23[lim )](211[)](1[lim)23(lim 00434323=+=+--++=--++→+→+∞→t t o t t o t t o t x x x x t t x . (2)])1ln(1[)](41!21211[)](!41!211[lim)]1ln([cos lim1344244202202x x xx x xx o x x x o x x x x x e x -++⋅+--++-=-+-→-→010)1l n (1)(121lim 11340=+=-++-=-→e x x x o x x x . (3)2442442442202220))](!211())(!41!211[()](!43!211[211lim sin )(cos 1211lim 2xx o x x x o x x x o x x x x e x x x x x x +++-++-+-+-+=-+-+→→ 12123!43)(241123)(!43lim )(241123)(!43lim 2424404264440-=-=+--+=⋅+--+=→→x x o x x x o x o x x x x o x x x .习题3-41. 判定函数f (x )=arctan x -x 单调性.解因为011111)(22≤+-=-+='x x x f , 且仅当x =0时等号成立, 所以f (x )在(-∞, +∞)内单调减少.2. 判定函数f (x )=x +cos x (0≤x ≤2π)的单调性.解因为f '(x )=1-sin x ≥0, 所以f (x )=x +cos x 在[0, 2π]上单调增加. 3. 确定下列函数的单调区间: (1) y =2x 3-6x 2-18x -7;(2)xx y 82+=(x >0);(3)x x x y 6941023+-=;(4))1ln(2x x y ++=; (5) y =(x -1)(x +1)3;(6))0())(2(32>--=a x a a x y ; (7) y =x n e -x (n >0, x ≥0); (8)y =x +|sin 2x |.解 (1) y '=6x 2-12x -18=6(x -3)(x +1)=0, 令y '=0得驻点x 1=-1, x 2=3. 列表得可见函数在(-∞, -1]和[3, +∞)内单调增加, 在[-1, 3]内单调减少.(2) 0)2)(2(28222=+-=-='x x x x y ,令y '=0得驻点x 1=2, x 2=-2(舍去).因为当x >2时, y >0; 当0<x <2时, y '<0, 所以函数在(0, 2]内单调减少, 在[2, +∞)内单调增加. (3)223)694()1)(12(60x x x x x y +----=', 令y '=0得驻点211=x , x 2=1, 不可导点为x =0. 列表得可见函数在(-∞, 0), ]21 ,0(, [1, +∞)内单调减少, 在]1 ,21[上单调增加.(4)因为011)1221(11222>+=++++='x x x x x y , 所以函数在(-∞, +∞)内单调增加. (5) y '=(x +1)3+3(x -1)(x +1)22)1)(21(4+-=x x . 因为当21<x 时, y '<0; 当21>x 时, y '>0, 所以函数在]21 ,(-∞内单调减少, 在) ,21[∞+内单调增加.(6)32)()2(3)32(x a a x a x y ----=', 驻点为321a x =, 不可导点为22a x =, x 3=a .列表得可见函数在)2 ,(a -∞, ]32 ,2(a a , (a , +∞)内单调增加, 在) ,32[a a 内单调减少.(7)y '=e -x x n -1(n -x ), 驻点为x =n . 因为当0<x <n 时, y '>0; 当x >n 时, y '<0, 所以函数在[0, n ]上单调增加, 在[n , +∞)内单调减少.(8)⎪⎩⎪⎨⎧+<<+-+≤≤+=πππππππk x k x x k x k x x y 22sin 2 2sin (k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅),⎪⎩⎪⎨⎧+<<+-+≤≤+='πππππππk x k x k x k x y 2 2c o s 212 2c o s 21(k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅). y '是以π为周期的函数, 在[0, π]内令y '=0, 得驻点21π=x , 652π=x , 不可导点为23π=x .列表得根据函数在[0, π]上的单调性及y '在(-∞, +∞)的周期性可知函数在]32 ,2[πππ+k k 上单调增加, 在]22 ,32[ππππ++k k 上单调减少(k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅).4. 证明下列不等式: (1)当x >0时, x x +>+1211;(2)当x >0时, 221)1ln(1x x x x +>+++; (3)当20π<<x 时, sin x +tan x >2x ;(4)当20π<<x 时, 331tan x x x +>;(5)当x >4时, 2x >x 2;证明 (1)设x x x f +-+=1211)(, 则f (x )在[0, +∞)内是连续的. 因为x x f +-='12121)(01211>+-+=xx , 所以f (x )在(0, +∞)内是单调增加的, 从而当x >0时f (x )>f (0)=0, 即 01211>+-+x x , 也就是 x x +>+1211.(2)设221)1ln(1)(x x x x x f +-+++=, 则f (x )在[0, +∞)内是连续的. 因为 0)1l n (1)11(11)1l n ()(22222>++=+-++⋅++⋅+++='x x x x x x x x x x x x f ,所以f (x )在(0, +∞)内是单调增加的, 从而当x >0时f (x )>f (0)=0, 即 01)1l n (122>+-+++x x x x , 也就是 221)1l n (1x x x x +>+++.(3)设f (x )=sin x +tan x -2x , 则f (x )在)2,0[π内连续,f '(x )=cos x +sec 2x -2xx x x 22cos ]cos )1)[(cos 1(cos ---=. 因为在)2 ,0(π内cos x -1<0, cos 2x -1<0, -cos x <0, 所以f '(x )>0, 从而f (x )在)2 ,0(π内单调增加, 因此当20π<<x 时, f (x )>f (0)=0, 即sin x +tan x -2x >0, 也就是 sin x +tan x >2x .(4)设331tan )(x x x x f --=, 则f (x )在)2 ,0[π内连续,))(t a n (t a n t a n 1s e c )(2222x x x x x x x x x f +-=-=--='. 因为当20π<<x 时, tan x >x , tan x +x >0, 所以f '(x )在)2 ,0(π内单调增加, 因此当20π<<x 时, f (x )>f (0)=0, 即031t a n 3>--x x x ,也就是 231t a n x x x +>.(5)设f (x )=x ln2-2ln x , 则f (x )在[4, +∞)内连续, 因为 0422ln 224ln 22ln )(=->-=-='e x x x f ,所以当x >4时, f '(x )>0, 即f (x )内单调增加.因此当x >4时, f (x )>f (4)=0, 即x ln2-2ln x >0, 也就是2x >x 2. 5. 讨论方程ln x =ax (其中a >0)有几个实根？解设f (x )=ln x -ax . 则f (x )在(0, +∞)内连续, xax a x x f -=-='11)(, 驻点为a x 1=.因为当ax 10<<时, f '(x )>0, 所以f (x )在)1 ,0(a 内单调增加; 当a x 1>时, f '(x )<0, 所以f (x )在) ,1(∞+a内单调减少. 又因为当x →0及x →+∞时, f (x )→-∞, 所以如果011ln )1(>-=a a f , 即e a 1<, 则方程有且仅有两个实根; 如果011ln )1(<-=aa f , 即e a 1>, 则方程没有实根. 如果011ln )1(=-=a a f , 即e a 1=, 则方程仅有一个实根. 6. 单调函数的导函数是否必为单调函数？研究下面这个例子: f (x )=x +sin x .解单调函数的导函数不一定为单调函数.例如f (x )=x +sin x 在(-∞,+∞)内是单调增加的, 但其导数不是单调函数. 事实上, f '(x )=1+cos x ≥0,这就明f (x )在(-∞, +∞)内是单调增加的. f ''(x )=-sin x 在(-∞, +∞)内不保持确定的符号, 故f '(x )在(-∞, +∞)内不是单调的.7. 判定下列曲线的凹凸性: (1) y =4x -x 2 ; (2) y =sh x ;(3)xy 11+=(x >0);(4) y =x arctan x ; 解 (1)y '=4-2x , y ''=-2,因为y ''<0, 所以曲线在(-∞, +∞)内是凸的. (2)y '=ch x , y ''=sh x . 令y ''=0, 得x =0.因为当x <0时, y ''=sh x <0; 当x >0时, y ''=sh x >0, 所以曲线在(-∞, 0]内是凸的, 在[0, +∞)内是凹的.(3)21x y -=', 32x y =''. 因为当x >0时, y ''>0, 所以曲线在(0, +∞)内是凹的. (4)21arctan xx x y ++=',22)1(2x y +=''.因为在(-∞, +∞)内, y ''>0, 所以曲线y =x arctg x 在(-∞, +∞)内是凹的.8. 求下列函数图形的拐点及凹或凸的区间: (1).y =x 3-5x 2+3x +5 ; (2) y =xe -x ; (3) y =(x +1)4+e x ;(4) y =ln(x 2+1); (5) y =e arctan x ; (6) y =x 4(12ln x -7),解 (1)y '=3x 2-10x +3, y ''=6x -10. 令y ''=0, 得35=x .因为当35<x 时, y ''<0; 当35>x 时, y ''>0, 所以曲线在]35 ,(-∞内是凸的, 在) ,35[∞+内是凹的, 拐点为)2720 ,35(.(2)y '=e -x -xe -x , y ''=-e -x -e -x +xe -x =e -x (x -2). 令y ''=0, 得x =2.因为当x <2时, y ''<0; 当x >2时, y ''>0, 所以曲线在(-∞, 2]内是凸的, 在[2, +∞)内是凹的, 拐点为(2, 2e -2).(3)y '=4(x +1)3+e x , y ''=12(x +1)2+e x .因为在(-∞, +∞)内, y ''>0, 所以曲线y =(x +1)4+e x 的在(-∞, +∞)内是凹的, 无拐点.(4)122+='x x y , 22222)1()1)(1(2)1(22)1(2++--=+⋅-+=''x x x x x x x y . 令y ''=0, 得x 1=-1, x 2=1. 列表得可见曲线在(-∞, -1]和[1, +∞)内是凸的, 在[-1, 1]内是凹的, 拐点为(-1, ln2)和(1, ln2).(5)2arctan 11x e y x+⋅=',)21(12arctan x x e y x-+=''. 令y ''=0得, 21=x . 因为当21<x 时, y ''>0; 当21>x 时, y ''<0, 所以曲线y =e arctg x 在]21 ,(-∞内是凹的,在) ,21[∞+内是凸的, 拐点是) ,21(21arctane. (6) y '=4x 3(12ln x -7)+12x 3, y ''=144x 2⋅ln x . 令y ''=0, 得x =1.因为当0<x <1时, y ''<0; 当x >1时, y ''>0, 所以曲线在(0, 1]内是凸的, 在[1, +∞)内是凹的, 拐点为(1, -7).9. 利用函数图形的凹凸性, 证明下列不等式:(1) nn n y x y x )2()(21+>+(x >0, y >0, x ≠y , n >1);(2))(22y x e e e yx y x ≠>++;(3)2ln)(ln ln yx y x y y x x ++>+ (x >0, y >0, x ≠y ). 证明 (1)设f (t )=t n , 则f '(t )=nt n -1, f ''(t )=n (n -1)t n -2. 因为当t >0时, f ''(t )>0, 所以曲线f (t )=t n 在区间(0, +∞)内是凹的. 由定义, 对任意的x >0, y >0, x ≠y 有)2()]()([21yx f y f x f +>+,即 nn n y x y x )2()(21+>+.(2)设f (t )=e t , 则f '(t )=e t , f ''(t )=e t . 因为f ''(t )>0, 所以曲线f (t )=e t 在(-∞, +∞)内是凹的. 由定义, 对任意的x , y ∈(-∞, +∞), x ≠y 有)2()]()([21yx f y f x f +>+,即 )(22y x ee e yx yx ≠>++.(3)设f (t )=t ln t , 则 f '(t )=ln t +1, tt f 1)(=''.因为当t >0时, f ''(t )>0, 所以函数f (t )=t ln t 的图形在(0, +∞)内是凹的. 由定义, 对任意的x >0, y >0, x ≠y 有)2()]()([21yx f y f x f +>+,即 2ln )(ln ln yx y x y y x x ++>+. 10. 试证明曲线112+-=x x y 有三个拐点位于同一直线上.证明 222)1(12+++-='x x x y ,323223)1()]32()][32()[1(2)1(2662++---+=++--=''x x x x x x x x y . 令y ''=0, 得x 1=-1, 322-=x , 323+=x . 例表得可见拐点为(-1, -1), ))32(431 ,32(---, ))32(431 ,32(+++. 因为41)1(32)1()32(431=-------, 41)1(32)1()32(431=--+--++,所以这三个拐点在一条直线上.11. 问a 、b 为何值时, 点(1, 3)为曲线y =ax 3+bx 2的拐点？解 y '=3ax 2+2bx , y ''=6ax +2b . 要使(1, 3)成为曲线y =ax 3+bx 2的拐点, 必须y (1)=3且y ''(1)=0, 即a +b =3且6a +2b =0, 解此方程组得23-=a , 29=b .12. 试决定曲线y =ax 3+bx 2+cx +d 中的a 、b 、c 、d , 使得x =-2处曲线有水平切线, (1, -10)为拐点, 且点(-2, 44)在曲线上. 解 y '=3ax 2+2bx +c , y ''=6ax +2b . 依条件有⎪⎩⎪⎨⎧=''=-'-==-0)1(0)2(10)1(44)2(y y y y , 即⎪⎩⎪⎨⎧=+=+--=+++=+-+-02604121044248b a c b a d c b a d c b a .解之得a =1, b =-3, c =-24, d =16.13. 试决定y =k (x 2-3)2中k 的值, 使曲线的拐点处的法线通过原点. 解y '=4kx 3-12kx , y ''=12k (x -1)(x +1). 令y ''=0, 得x 1=-1, x 2=1.因为在x 1=-1的两侧y ''是异号的, 又当x =-1时y =4k , 所以点(-1, 4k )是拐点. 因为y '(-1)=8k , 所以过拐点(-1, 4k )的法线方程为)1(814+-=-x k k y . 要使法线过原点, 则(0, 0)应满足法线方程, 即kk 814-=-, 82±=k .同理, 因为在x 1=1的两侧y ''是异号的, 又当x =1时y =4k , 所以点(1, 4k )也是拐点.因为y '(1)=-8k , 所以过拐点(-1, 4k )的法线方程为)1(814-=-x k k y . 要使法线过原点, 则(0, 0)应满足法线方程, 即k k 814-=-, 82±=k .因此当82±=k 时, 该曲线的拐点处的法线通过原点.14. 设y =f (x )在x =x 0的某邻域内具有三阶连续导数, 如果f ''(x 0)=0, 而f '''(x 0)≠0,试问 (x 0, f (x 0))是否为拐点？为什么？解不妨设f '''(x 0)>0. 由f '''(x )的连续性, 存在x 0的某一邻域(x 0-δ, x 0+δ), 在此邻域内有f '''(x )>0. 由拉格朗日中值定理, 有f ''(x )-f ''(x 0)=f '''(ξ)(x -x 0) (ξ介于x 0与x 之间), 即 f ''(x )=f '''(ξ)(x -x 0).因为当x 0-δ<x <x 0时, f ''(x )<0; 当x 0<x <x 0+δ 时, f ''(x )>0, 所以(x 0, f (x 0))是拐点.习题3-51. 求函数的极值: (1) y =2x 3-6x 2-18x +7; (2) y =x -ln(1+x ) ; (3) y =-x 4+2x 2 ; (4)x x y -+=1;(5)25431x xy ++=;(6)144322++++=x x x x y ;(7) y =e xcos x ;(8)xx y 1=;(9)31)1(23+-=x y ; (10) y =x +tan x .解 (1)函数的定义为(-∞, +∞), y '=6x 2-12x -18=6(x 2-2x -3)=6(x -3)(x +1), 驻点为x 1=-1, x 2=3. 列表可见函数在 (2)函数的定义为(-1, +∞), xxx y +=+-='1111, 驻点为x =0. 因为当-1<x <0时, y '<0; 当x >0时, y '>0, 所以函数在x =0处取得极小值, 极小值为y (0)=0. (3)函数的定义为(-∞, +∞),y '=-4x 3+4x =-4x (x 2-1), y ''=-12x 2+4, 令y '=0, 得x 1=0, x 2=-1, x 3=1.因为y ''(0)=4>0, y ''(-1)=-8<0, y ''(1)=-8<0, 所以y (0)=0是函数的极小值, y (-1)=1和y (1)=1是函数的极大值.(4)函数的定义域为(-∞, 1], )112(1243121121211+---=---=--='x x x xx xy ,令y '=0, 得驻点43=x .因为当43<x 时, y '>0; 当143<<x 时, y '<0, 所以45)1(=y 为函数的极大值.(5)函数的定义为(-∞, +∞), 32)54()512(5x x y +--=', 驻点为512=x . 因为当512<x 时, y '>0; 当512>x 时, y '<0, 所以函数在512=x 处取得极大值, 极大值为10205)512(=y . (6)函数的定义为(-∞, +∞), 22)1()2(+++-='x x x x y , 驻点为x 1=0, x 2=-2.列表可见函数在x =-2处取得极小值3, 在x =0处取得极大值4.(7)函数的定义域为(-∞, +∞). y '=e x (cos x -sin x ), y ''=-e x sin x .令y '=0, 得驻点ππk x 24+=, ππ)1(24++=k x , (k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅).因为0)24(<+''ππk y , 所以22)24(24⋅=++ππππk e k y 是函数的极大值. 因为y ''0])1(24[>++ππk , 所以22])1(24[)1(24⋅-=++++ππππk e k y 是函数的极小值. (8)函数xx y 1=的定义域为(0, +∞),)ln 1(121x x x y x-⋅='. 令y '=0, 得驻点x =e .因为当x <e 时, y '>0; 当x >e 时, y '<0, 所以ee e y 1)(=为函数f (x )的极大值.(9)函数的定义域为(-∞, +∞), 3/2)1(132+-='x y , 因为y '<0, 所以函数在(-∞, +∞)是单调减少的, 无极值.(10)函数y =x +tg x 的定义域为ππk x +≠2(k =0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅). 因为y '=1+sec 2x >0, 所以函数f (x )无极值.2. 试证明: 如果函数y =ax 3+bx 2+cx +d 满足条件b 2 -3ac <0, 那么这函数没有极值 . 证明y '=3a x 2+2b x +c . 由b 2 -3ac <0, 知a ≠0. 于是配方得到y '=3a x 2+2b x +c ab ac a b x a a c x a b x a 33)3(3)332(32222-++=++=,因3ac -b 2>0, 所以当a >0时, y '>0; 当a <0时, y '<0. 因此y =ax 3+bx 2+cx +d 是单调函数, 没有极值.3. 试问a 为何值时, 函数x x a x f 3sin 31sin )(+=在3π=x 处取得极值？它是极大值还是极小值？并求此极值.解 f '(x )=a cos x +cos 3x , f ''(x )=-a sin x -3 sin x .要使函数f (x )在3π=x 处取得极值, 必有0)3(='πf , 即0121=-⋅a , a =2 .当a =2时, 0232)3(<⋅-=''πf . 因此, 当a =2时, 函数f (x )在3π=x 处取得极值, 而且取得极大值, 极大值为3)23(=f .4. 求下列函数的最大值、最小值: (1) y =2x 3-3x 2 , -1≤x ≤4; (2) y =x 4-8x 2+2, -1≤x ≤3 ; (3)x x y -+=1, -5≤x ≤1.解 (1)y '=6x 2-6x =6x (x -1), 令y '=0, 得x 1=0, x 2=1. 计算函数值得 y (-1)=-5, y (0)=0, y (1)=-1, y (4)=80,经比较得出函数的最小值为y (-1)=-5, 最大值为y (4)=80.(2)y '=4x 3-16x =4x (x 2-4), 令y '=0, 得x 1=0, x 2=-2(舍去), x 3=2. 计算函数值得 y (-1)=-5, y (0)=2, y (2)=-14, y (3)=11,经比较得出函数的最小值为y (2)=-14, 最大值为y (3)=11.(3)xy --='1211, 令y '=0, 得43=x . 计算函数值得65)5(+-=-y , 45)43(=y , y (1)=1,经比较得出函数的最小值为65)5(+-=-y , 最大值为45)43(=y .5. 问函数y =2x 3-6x 2-18x -7(1≤x ≤4)在何处取得最大值？并求出它的最大值. 解 y '=6x 2-12x -18=6(x -3)(x +1), 函数f (x )在1≤x ≤4内的驻点为x =3. 比较函数值:f (1)=-29, f (3)=-61, f (4)=-47,函数f (x )在x =1处取得最大值, 最大值为f (1)=-29.6. 问函数x x y 542-=(x <0)在何处取得最小值？解 2542x x y +=', 在(-∞, 0)的驻点为x =-3. 因为31082xy -='', 0271082)3(>+=-''y ,所以函数在x =-3处取得极小值. 又因为驻点只有一个, 所以这个极小值也就是最小值, 即函数在x =-3处取得最小值, 最小值为27)3(=-y .7. 问函数12+=x xy (x ≥0)在何处取得最大值？解 222)1(1+-='x x y . 函数在(0, +∞)内的驻点为x =1.因为当0<x <1时, y '>0; 当x >1时y '<0, 所以函数在x =1处取得极大值. 又因为函数在(0, +∞)内只有一个驻点, 所以此极大值也是函数的最大值, 即函数在x =1处取得最大值, 最大值为f (1)=21.8. 某车间靠墙壁要盖一间长方形小屋, 现有存砖只够砌20cm 长的墙壁, 问应围成怎样的长方形才能使这间小屋的面积最大？解设宽为x 长为y , 则2x +y =20, y =20-2x , 于是面积为 S = xy =x (20-2x )=20x -2x 2. S '=20-4x =4(10-x ), S ''=-4. 令S '=0, 得唯一驻点x =10.因为S ''(10)-4<0, 所以x =10为极大值点, 从而也是最大值点. 当宽为5米, 长为10米时这间小屋面积最大.9. 要造一圆柱形油罐, 体积为V , 问底半径r 和高h 等于多少时, 才能使表面积最小？这时底直径与高的比是多少？解由V =π r 2h , 得h =V π-1r -2. 于是油罐表面积为S =2π r 2+2π rh rVr 222+=π(0<x <+∞),224r Vr S -='π.令S '=0, 得驻点32πV r =. 因为0443>+=''r V S π, 所以S 在驻点32πVr =处取得极小值, 也就是最小值. 这时相应的高为r r Vh 2 20==π. 底直径与高的比为2r : h =1 : 1.10. 某地区防空洞的截面拟建成矩形加半圆(如图), 截面的面积为5m 2, 问底宽x 为多少时才能使截面的周长最小, 从而使建造时所用的材料最省？解设矩形高为h , 截面的周长S , 则5)2(212=⋅+πx xh , x x h 85π-=.于是xx x x h x S 10422++=++=ππ(π400<<x ), 21041xS -+='π.令S '=0, 得唯一驻点π+=440x .因为0203>=''xS , 所以π+=440x 为极小值点, 同时也是最小值点. 因此底宽为π+=440x 时所用的材料最省.11. 设有重量为5kg 的物体, 置于水平面上, 受力F 的作用而开始移动(如图). 设摩擦系数μ=0.25, 问力F 与水平线的交角α为多少时, 才可使力F 的大小为最小？解由F cos α =(m -F sin α)μ 得αμαμsin cos +=m F (2 0πα≤≤),2)sin (cos )cos (sin αμααμαμ+-='m F , 驻点为 α = arctan μ.因为F 的最小值一定在)2 ,0(π内取得, 而F 在)2,0(π内只有一个驻点α = arctan μ,所以α=arctan μ一定也是F 的最小值点. 从而当α=arctan0.25=14︒时, 力F 最小. 12. 有一杠杆, 支点在它的一端. 在距支点0.1m 处挂一重量为49kg 的物体. 加力于杠杆的另一端使杠杆保持水平(如图). 如果杠杆的线密度为5kg/m , 求最省力的杆长?解设杆长为x (m), 加于杠杆一端的力为F , 则有1.049521⋅+⋅=x x xF , 即)0(9.425>+=x x x F .29.425xF -=',驻点为x =1.4. 由问题的实际意义知, F 的最小值一定在(0, +∞)内取得, 而F 在(0, +∞)内只有一个驻点x =1.4, 所以F 一定在x =1.4m 处取得最小值, 即最省力的杆长为1.4m . 13. 从一块半径为R 的圆铁片上挖去一个扇形做成一漏斗(如图),问留下的扇形的中心角ϕ取多大时, 做成的漏斗的容积最大？解漏斗的底周长l 、底半径r 、高h 分别为l =R ⋅ϕ, πϕ2R r =, 222242ϕππ-=-=Rr R h .漏斗的容积为22223242431ϕππϕπ-==R hr V (0<ϕ<2π). 2222234)38(24ϕπϕπϕπ--⋅='R V ，驻点为πϕ362=. 由问题的实际意义, V 一定在(0, 2π)内取得最大值, 而V 在(0, 2π)内只有一个驻点, 所以该驻点一定也是最大值点. 因此当ϕ π362=时, 漏斗的容积最大.14. 某吊车的车身高为1.5m , 吊臂长15m , 现在要把一个6m 宽、2m 高的屋架, 水平地吊到6m 高的柱子上去(如图), 问能否吊得上去？解设吊臂对地面的倾角为ϕ时, 屋架能够吊到的最大高度为h . 在直角三角形∆EDG 中 15sin ϕ=(h -1. 5)+2+3tan ϕ,故 21tan 3sin 15--=ϕϕh ,ϕϕ2cos 3cos 15-='h . 令h '=0得唯一驻点5451arccos 3≈=ϕ︒.因为0cos sin 6sin 153<--=''ϕϕϕh , 所以ϕ=54︒为极大值点, 同时这也是最大值点. 当ϕ=54︒时, 5.721tan 3sin 15≈--=ϕϕh m .所以把此屋最高能水平地吊至7. 5m 高, 现只要求水平地吊到6m 处, 当然能吊上去. 15. 一房地产公司有50套公寓要出租. 当月租金定为1000元时, 公寓会全部租出去. 当月租金每增加50元时, 就会多一套公寓租不出去, 而租出去的公寓每月需花费100元的维修费. 试问房租定为多少可获最大收入？解房租定为x 元, 纯收入为R 元.当x ≤1000时, R =50x -50⨯100=50x -5000, 且当x =1000时, 得最大纯收入45000元. 当x >1000时,700072501100)]1000(5150[)]1000(5150[2-+-=⋅---⋅--=x x x x x R ,72251+-='x R .令R '=0得(1000, +∞)内唯一驻点x =1800. 因为0251<-=''R , 所以1800为极大值点, 同时也是最大值点. 最大值为R =57800.因此, 房租定为1800元可获最大收入.习题3-6描绘下列函数的图形: 1. )786(5124++-=x x x y ;解 (1)定义域为(-∞, +∞);(2)23)1)(2(54)8124(51-+=+-='x x x x y ,)1)(1(512)33(542-+=-=''x x x y ,令y '=0, 得x =-2, x =1; 令y ''=0, 得x =-1, x =1.(3)列表(4)作图:2.21xx y +=;解 (1)定义域为(-∞, +∞);(2)奇函数, 图形关于原点对称, 故可选讨论x ≥0时函数的图形.(3)22)1()1)(1(x x x y ++--=', 32)1()3)(3(2x x x x y ++-='',当x ≥0时, 令y '=0, 得x =1; 令y ''=0, 得x =0, 3=x .(4)列表(5)有水平渐近线y =0; (6)作图:3.2)1(--=x e y ;解 (1)定义域为(-∞, +∞); (2))]221()][221([4)1(222)1()1(--+-=''--='----x x e y e x y x x ,令y '=0, 得x =1; 令y ''=0, 得221+=x ,221-=x .(3)列表(4)有水平渐近线y =0; (5)作图: 4.xx y 12+=;解 (1)定义域为(-∞, 0)⋃(0, +∞); (2)2321212xx xx y -=-=',333)1(222x x x y +=+='',令y '=0, 得321=x ; 令y ''=0, 得x =-1.(3)列表(4)有铅直渐近线x =0; (5)作图: 5.xxy 2cos cos =.解 (1)定义域为42ππ+≠n x (n =0, ±1, ±2, ⋅⋅⋅)(2)是偶函数, 周期为2 . 可先作[0, ]上的图形, 再根据对称性作出[-, 0)内的图形, 最后根据周期性作出[-, ]以外的图形; (3)xx x y 2cos )sin 23(sin 22-=',xx x x y 2cos )sin 4sin 123(cos 342-+⋅='',在[0,]上, 令y '=0, 得x =0, x =; 令y ''=0, 得2π=x .(4)列表(5)有铅直渐近线4π=x 及43π=x ;(6)作图:习题3-71. 求椭圆4x 2+y 2=4在点(0, 2)处的曲率. 解两边对x 求导数得8x +2yy '=0, y x y 4-=', 244y y x y y '--=''.y '|(0, 2)=0, y ''|(0, 2)=-2.所求曲率为2)01(|2|)1(||2/322/32=+-='+''=y y K .2. 求曲线y =lnsec x 在点(x , y )处的曲率及曲率半径.解 x x x xy tan tan sec sec 1=⋅⋅=', x y 2sec =''.所求曲率为|cos |)tan 1(|sec |)1(||2/3222/32x x x y y K =+='+''=, 曲率半径为 |sec ||cos |11x x K ===ρ.3. 求抛物线y =x 2-4x +3在其顶点处的曲率及曲率半径. 解 y '=2x -4, y ''=2.令y '=0, 得顶点的横坐标为x =2. y '|x =2=0, y ''|x =2=2. 所求曲率为2)01(|2|)1(||2/322/32=+='+''=y y K , 曲率半径为211==K ρ.4. 求曲线x =a cos 3t , y =a sin 3t 在t =t 0处的曲率.解 t x a t a y tan )cos ()sin (33-=''=', tt a x a x y 43cos sin 31)cos ()tan (⋅=''-=''. 所求曲率为|2sin |32|cos sin 31|)tan 1(|cos sin 31|)1(||32/3242/32t a t t a t t t a y y K ==+⋅='+''=, |2sin |3200t a K t t ==.5. 对数曲线y =ln x 上哪一点处的曲率半径最小？求出该点处的曲率半径.解 x y 1=', 21xy -=''.2/322/3222/32)1()11(|1|)1(||x x xx y y K +=+-='+''=, xx 232)1(+=ρ,2222232212)12(1)1(2)1(23x x x x x x x x --=+-⋅⋅+='ρ.令ρ'=0, 得22=x . 因为当220<<x 时, ρ<0; 当22>x 时, ρ>0, 所以22=x 是ρ的极小值点, 同时也最小值点. 当22=x 时, 22ln =y . 因此在曲线上点)22ln ,22(处曲率半径最小, 最小曲率半径为233=ρ. 6. 证明曲线axa y ch =在点(x , y )处的曲率半径为a y 2.解 a x y sh =', axa y ch 1=''.在点(x , y )处的曲率半径为a y a x a a x a a xa x a a x y y 222/322/322/32ch |ch 1|)(ch |ch 1|)sh 1(||)1(===+='''+=ρ.7. 一飞机沿抛物线路径100002x y =(y 轴铅直向上, 单位为m )作俯冲飞行, 在坐标原点O 处飞机的速度为v =200m /s 飞行员体重G =70Kg . 求飞机俯冲至最低点即原点O 处时座椅对飞行员的反力.解 5000100002x x y ==', 50001=''y ; y '|x =0=0, 50001|0=''=x y . 500050001)01(||)1(|2/322/320=+='''+==y y x ρ.向心力56050002007022=⨯==ρmV F (牛顿). 飞行员离心力及它本身的重量对座椅的压力为 79⨯9.8+560=1246(牛顿).8. 汽车连同载重共5t , 在抛物线拱桥上行驶, 速度为21.6km/h , 桥的跨度为10m , 拱的矢高为0.25m . 求汽车越过桥顶时对桥的压力.解如图取直角坐标系, 设抛物线拱桥方程为y =ax 2, 由于抛物线过点(5, 0.25), 代入方程得01.02525.0==a ,于是抛物线方程为y =0. 01x 2. y '=0.02x , y ''=0.02.5002.0)01(||)1(|2/322/320=+='''+==y y x ρ. 向心力为360050)3600106.21(1052332=⨯⨯==ρmV F (牛顿). 因为汽车重为5吨, 所以汽车越过桥顶时对桥的压力为 5⨯103⨯9.8-3600=45400(牛顿).*9. 求曲线y =ln x 在与x 轴交点处的曲率圆方程.*10. 求曲线y =tan x 在点)1 ,4(π处的曲率圆方程.*11. 求抛物线y 2=2px 的渐屈线方程.总习题三1. 填空:设常数k >0, 函数k exx x f +-=ln )(在(0, +∞)内零点的个数为________.解应填写2.提示: e x x f 11)(-=', 21)(xx f -=''.在(0, +∞)内, 令f '(x )=0, 得唯一驻点x =e .因为f ''(x )<0, 所以曲线k exx x f +-=ln )(在(0, +∞)内是凸的, 且驻点x =e 一定是最大值点,最大值为f (e )=k >0.又因为-∞=+→)(lim 0x f x , -∞=+∞→)(lim x f x , 所以曲线经过x 轴两次, 即零点的个数为2.2. 选择以下题中给出的四个结论中一个正确的结论:设在[0, 1]上f ''(x )>0, 则f '(0), f '(1), f (1)-f (0)或f (0)-f (1)几个数的大小顺序为( ). (A )f '(1)>f '(0)>f (1)-f (0); (B )f '(1)>f (1)-f (0)>f '(0); (C )f (1)-f (0)>f '(1)>f '(0); (D )f '(1)>f (0)-f (1)>f '(0). 解选择B .提示: 因为f ''(x )>0, 所以f '(x )在[0, 1]上单调增加, 从而f '(1)>f '(x )>f '(0). 又由拉格朗日中值定理, 有f (1)-f (0)=f '(ξ), ξ∈[0, 1], 所以 f '(1)> f (1)-f (0)>f '(0).3. 列举一个函数f (x )满足: f (x )在[a , b ]上连续, 在(a ,b )内除某一点外处处可导, 但在(a , b )内不存在点ξ , 使f (b )-f (a )=f '(ξ)(b -a ). 解取f (x )=|x |, x ∈[-1, 1].易知f (x )在[-1, 1]上连续, 且当x >0时f '(x )=1; 当x >0时, f '(x )=-1; f '(0)不存在, 即f (x )在[-1, 1]上除x =0外处处可导.注意f (1)-f (-1)=0, 所以要使f (1)-f (-1)=f '(ξ)(1-(-1))成立, 即f '(ξ)=0, 是不可能的. 因此在(-1, 1)内不存在点ξ , 使f (1)-f (-1)=f '(ξ)(1-(-1)). 4. 设k x f x ='∞→)(lim , 求)]()([lim x f a x f x -+∞→.解根据拉格朗日中值公式, f (x +a )-f (x )=f '(ξ )⋅a , ξ 介于x +a 与x 之间. 当x →∞ 时, ξ → ∞, 于是ak f a a f x f a x f x x ='=⋅'=-+∞→∞→∞→)(lim )(lim )]()([lim ξξξ.5. 证明多项式f (x )=x 3-3x +a 在[0, 1]上不可能有两个零点.证明 f '(x )=3x 2-3=3(x 2-1), 因为当x ∈(0, 1)时, f '(x )<0, 所以f (x )在[0, 1]上单调减少. 因此, f (x ) 在[0, 1]上至多有一个零点.6. 设1210++⋅⋅⋅++n a aa n =0, 证明多项式f (x )=a 0+a 1x +⋅ ⋅ ⋅+a n x n 在(0,1)内至少有一个零点.证明设121012)(+++++=n n x n a x ax a x F , 则F (x )在[0, 1]上连续, 在(0, 1)内可导, 且F (0)=F (1)=0. 由罗尔定理, 在(0, 1)内至少有一个点ξ , 使F (ξ )=0. 而F '(x )=f (x ), 所以f (x )在(0, 1)内至少有一个零点.7. 设f (x )在[0, a ]上连续, 在(0, a )内可导, 且f (a )=0, 证明存在一点ξ∈(0, a ), 使f (ξ)+ξf '(ξ)=0.证明设F (x )=xf (x ), 则F (x )在[0, a ]上连续, 在(0, a )内可导, 且F (0)=F (a )=0. 由罗尔定理, 在(0, a )内至少有一个点ξ , 使F (ξ )=0. 而F (x )=f (x )+x f '(x ), 所以f (ξ)+ξf '(ξ)=0.8. 设0<a <b , 函数f (x )在[a , b ]上连续, 在(a , b )内可导, 试利用柯西中值定理, 证明存在一点ξ∈(a , b )使abf b f a f ln )()()(ξξ'=-.证明对于f (x )和ln x 在[a , b ]上用柯西中值定理, 有ξξ1)(ln ln )()(f ab a f b f '=--, ξ∈(a , b ), 即 abf b f a f ln )()()(ξξ'=-, ξ∈(a , b ).9. 设f (x )、g (x )都是可导函数, 且|f '(x )|<g '(x ), 证明: 当x >a 时, |f (x )-f (a )|<g (x )-g (a ).证明由条件|f '(x )|<g '(x )得知,1)()(<''ξξg f , 且有g '(x )>0, g (x )是单调增加的, 当x >a 时, g (x )>g (a ).因为f (x )、g (x )都是可导函数, 所以f (x )、g (x ) 在[a , x ]上连续, 在(a , x )内可导, 根据柯西中值定理, 至少存在一点ξ∈(a , x ), 使)()()()()()(ξξg f a g x g a f x f ''=--. 因此,1)()()()(|)()(|<''=--ξξg f a g x g a f x f , |f (x )-f (a )|<g (x )-g (a ).10. 求下列极限:(1)xx x x xx ln 1lim 1+--→;(2)]1)1ln(1[lim 0xx x -+→;(3)x x x )arctan 2(lim π+∞→.(4)nxx n x x x n a a a ]/) [(lim 11211+⋅⋅⋅++∞→(其中a 1, a 2, ⋅ ⋅ ⋅, a n >0).解 (1) (x x )'=(e x l n x )'=e x l n x(ln x +1)=x x (ln x +1).xx x x xx x x x x x x x x x x x x x x x xx -+-=+-+-='+-'-=+--+→→→→1)1(ln lim11)1(ln 1lim )ln 1()(lim ln 1lim 11111 21)1)(ln 11(ln 1lim11=--+++-=+→xx x x x x x x . (2)xxx x x x x x x x x x x x x x x x ++++-='+'+-=++-=-+→→→→1)1ln(111lim ])1ln([])1ln([lim )1ln()1ln(lim ]1)1ln(1[lim 00002111)1l n (1lim )1ln()1(lim00=+++=+++=→→x x x x x x x。

高等数学第六版下册课后习题答案-同济大学

本答案由大学生必备网免费提供下载第八章多元函数微分法及其应用第一节多元函数的基本概念本节主要概念，定理，公式和重要结论理解多元函数的概念，会表达函数，会求定义域；理解二重极限概念，注意A y x f y x y x =→),(lim ),(),(00是点),(y x 以任何方式趋于),(00y x ;注意理解本节中相关概念与一元函数中相应内容的区分与联系。

习题 8－11.求下列函数表达式:(1)xy y x y x f +=),(，求),(y x xy f +解：(,)()x yxy f xy x y xyx y ++=++(2)22),(y x y x y x f -=-+，求),(y x f解：(,)()()(,)f x y x y x y x y f x y xy +-=-+⇒= 2.求下列函数的定义域，并绘出定义域的图形: (1)221)1ln(yx x y x z --+-+=解：22221011010x y x y x y x y x +->⎧+>⎧⎪-->⇒⎨⎨+<⎩⎪≥⎩(2))12ln(2+-=y x z 解：2210x y -+>(3) |)|||1ln(),(y x y x f --= 解：1||||0||||1x y x y -->⇒+< 3.求下列极限:(1)22)1,0(),(1limy x xyx y x ++-→解：22(,)(0,1)1lim1x y x xyx y →-+=+ (2)xy xy y x 42lim)0,0(),(+-→解一：(,)(0,0)(,)(0,0)(,)(0,0)18lim2lim2lim 4x y x y x y xyxy →→→=-=-=-解二：(,)(0,0)(,)(0,0)(,)(0,0)1limlim lim 4x y x y x y →→→===-(3)yxy x y x )sin()2(lim )0,1(),(+→(4)2222011limy x y x y x +-+→→解一：(,)(1,0)(,)(1,0)sin()sin()lim (2)lim [(2)]3x y x y xy xy x x x y xy→→+=+=解二：(,)(1,0)(,)(1,0)(,)(1,0)sin()lim (2)lim (2)lim (2)3x y x y x y xy xyx x x x y y →→→+=+=+= (4)22220011limyx y x y x +-+→→解一：2222222200000011lim lim()022x x x y y y x y y x x y x y →→→→→→==⋅=++解二：222222000000x x x y y y y x y →→→→→→===+ 4.证明下列函数当)0,0(),(→y x 时极限不存在:(1)2222),(yx y x y x f +-=解：222222222222001lim lim 1x x y kxx y x k x k x y x k x k →→=---==+++ (2)22222)(),(y x y x y x y x f -+= 解：224222400lim lim 1()x x y x x y x x y x y x →→===+- 2222200lim 0()x y x y x y x y →==+- 5.下列函数在何处是间断的? (1) yx z -=1解：x y =(2)x y xy z 2222-+=解：22y x =第二节偏导数本节主要概念，定理，公式和重要结论1.偏导数：设),(y x f z =在),(00y x 的某一邻域有定义，则xy x f y x x f y x f x x ∆∆∆),(),(lim),(0000000-+=→， yy x f y y x f y x f y y ∆∆∆),(),(lim ),(0000000-+=→. ),(00y x f x 的几何意义为曲线⎩⎨⎧==0),(y y y x f z 在点)),(,,(0000y x f y x M 处的切线对x 轴的斜率.),(y x f 在任意点),(y x 处的偏导数),(y x f x 、),(y x f y 称为偏导函数，简称偏导数.求),(y x f x 时，只需把y 视为常数，对x 求导即可.2.高阶偏导数),(y x f z =的偏导数),(),,(y x f y x f y x 的偏导数称为二阶偏导数，二阶偏导数的偏导数称为三阶偏导数，如此类推. 二阶偏导数依求导次序不同，有如下4个：xy zy x z y z x z ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂222222,,,，其中后两个称为混合偏导数. 若两个混合偏导数皆为连续函数，则它们相等，即可交换求偏导数的次序.高阶混合偏导数也有类似结果.习题 8－21.求下列函数的一阶偏导数:(1)xy y xz +=解：21,z z xy x x y y y∂∂=+=-+∂∂ (2)xyz arctan =解：2222222111,1()1()z y y z x y y x x x y y x x y x x∂--∂=⋅==⋅=∂+∂+++ (3))ln(22y x x z ++=解：(1z x ∂==∂z y ∂==∂(4))ln(222z y x u ++= 解：222222222222,,u x u y u zx x y z y x y z z x y z∂∂∂===∂++∂++∂++(5)⎰=yzxzt dt e u 2解：22222222,,x z y z y z x z uu u ze ze ye xe x y z∂∂∂=-==-∂∂∂ (6)x y y x z cos sin = 解：2211cos cos sin sin ,cos cos sin sin z x y y x y u x x y x y x y y x x y x y y y x x y x ∂∂=+=--∂∂ (7)y x xy z ++=)1( (8))cos(ϕθϕθ-=+e u解：(1)[ln(1)],(1)[ln(1)]11x y x y z x y u x y xy xy y xy xy x x xy y xy ++∂+∂+=+++=+++∂+∂+ (8))cos(ϕθϕθ-=+e u解：[cos()sin()],[cos()sin()]u u e e θϕθϕθϕθϕθϕθϕθϕ++∂∂=---=-+-∂∂ 2.求下列函数在指定点处的一阶偏导数: （1）yxy x z arcsin)1(2-+=，求)1,0(x z 解：20(0,1)lim0x x x z x∆→∆==∆ （2）xyx e x z yarctan)1(2-+=，求)0,1(y z 解：01(1,0)lim1y y y e z y∆∆→-==-∆ 3.求下列函数的高阶偏导数:(1))ln(xy x z =，求22x z ∂∂，22yz ∂∂，y x z∂∂∂2解：ln()1,z z x xy x y y∂∂=+=∂∂ 22222211,,z z x z x x y y x y y∂∂∂==-=∂∂∂∂ (2))2(cos 2y x z +=，求22x z ∂∂，22yz ∂∂，y x z ∂∂∂2，x y z ∂∂∂2解：2cos(2)sin(2)sin 2(2)zx y x y x y x ∂=-++=-+∂ 4cos(2)sin(2)2sin 2(2)zx y x y x y y∂=-++=-+∂ 222222cos 2(2),8cos 2(2),4cos 2(2)z z zx y x y x y x y x y∂∂∂=-+=-+=-+∂∂∂∂(3)⎰+=22 y x xtdt e z ，求22x z ∂∂， yx z ∂∂∂2解：22222222222,2(12),4x y x x y x x y z z z xe e x e e xye x x x y+++∂∂∂=-=+-=∂∂∂∂ 4.设⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++-=0 00),(22222233y x y x y x xy y x y x f ，求)0,0(xy f 和)0,0(yx f .解：00(0)(0,0)00(0,0)lim lim 0x x x f x f f x x ∆→∆→∆--===∆∆，00(0,)(0,0)00(0,0)lim lim 0y y y f y f f y y ∆→∆→∆--===∆∆4224222224(,),0()x x x y y f x y y x y x y +-=+≠+ 4224222224(,),0()y x x y y f x y x x y x y --=+≠+ 54000(0,)(0,0)(0,0)lim lim 1x x xy y y y f y f y f y y∆→∆→-∆-∆-∆===-∆∆54000(,0)(0,0)(0,0)lim lim 1x x yx x x x f x f x f x x ∆→∆→∆-∆-∆===∆∆5.设)11(y x e z +-=，求证z y z y x z x222=∂∂+∂∂ 解: 1111()()2211,x y x y z z e ex x y y-+-+∂∂==∂∂ 111111()()()2222221122x yx y x y z z x y x e y e e z x y x y-+-+-+∂∂+=⋅+⋅==∂∂ 6.设222z y x r ++=，证明r zr y r x r 2222222=∂∂+∂∂+∂∂证明: 22222223,r x r x r r x r r x x r x r x r r r ∂--∂∂-∂=====∂∂ 由轮换对称性, 2222222323,r r y r r z y r z r ∂-∂-==∂∂222222222223321r r r r x y z r x y z r r r∂∂∂---++===∂∂∂ 第三节全微分本节主要概念，定理，公式和重要结论1.全微分的定义若函数),(y x f z =在点),(00y x 处的全增量z ∆表示成22),(y x o y B x A z ∆+∆=+∆+∆=∆ρρ则称),(y x f z =在点),(00y x 可微，并称Bdy Adx y B x A +=+∆∆为),(y x f z =在点),(00y x 的全微分，记作dz .2.可微的必要条件：若),(y x f z =在),(00y x 可微，则（1）),(y x f 在),(00y x 处连续；（2）),(y x f 在),(00y x 处可偏导，且),(),,(0000y x f B y x f A y x ==，从而dy y x f dx y x f dz y x ),(),(0000+=.一般地，对于区域D 内可微函数， dy y x f dx y x f dz y x ),(),(+=.3.可微的充分条件：若),(y x f z =在),(00y x 的某邻域内可偏导，且偏导数在),(00y x 处连续，则),(y x f z =在),(00y x 可微。

同济版高等数学课后习题解析

书后部分习题解答P21页3．（3）nnn b b b a a a ++++++++∞→ΛΛ2211lim （1,1<<b a ）知识点：1）等比级数求和)1(1)1(12≠--=++++-q qq a aqaq aq a n n Λ（共n 项）2）用P14例4的结论：当1<q 时，0lim =∞→nn q解：n n n b b b a a a ++++++++∞→ΛΛ2211lim ab bb a a n n n --=----=++∞→111111lim 115.（1）判断下列数列是否收敛，若收敛，则求出极限：设a 为正常数，00>x ，)(211nn n x a x x +=+ 证：由题意，0>n x ，a x a x x a x x nn n n n =⋅⋅≥+=+221)(211（数列有下界）又02)(2121≤-=-+=-+nn n n n n n x x a x x ax x x （因a x n ≥+1）（数列单调减少）由单调有界定理，此数列收敛；记b x n n =∞→lim ，对)(211n n n x a x x +=+两边取极限，得)(21bab b +=，解得a b =（负的舍去），故此数列的极限为a .P35页4.（8）极限=-++-+→211)1()1(lim x n x n x n x 211)1()1()]1(1[lim -++--++→x nx n x n x 21221111)1()1()1()1()1(1lim -++--+-+-+=+++→x n x n x x C x C n n n x 2)1(21+==+n n C n (若以后学了洛必达法则（00型未定型），则211)1()1(lim -++-+→x nx n x n x 2)1(2)1(lim )1(2)1())1(lim 111+=+=-+-+=-→→n n nx n x n x n n x n x ）书后部分习题解答2 P36页8.已知当0→x 时，1cos ~1)1(312--+x ax，求常数a .知识点：1）等价无穷小的概念；2）熟记常用的等价无穷小，求极限时可用等价无穷小的替换定理。

高等数学第六版上册课后习题答案与及解析

高等数学第六版上册课后习题答案与及解析第一章习题111设A (5)(5)B [103)写出ABABA \B 及A \(A \B )的表达式解AB (3)(5) AB [105) A \B (10)(5)A \(A \B )[105)2设A 、B 是任意两个集合证明对偶律(AB )C A C B C 证明因为x (AB )C xABxA 或xBxA C 或xB C xA C B C 所以(AB )C A C B C3设映射fXYAXBX 证明 (1)f (AB )f (A )f (B ) (2)f (AB )f (A )f (B ) 证明因为yf (AB )xAB 使f (x )y(因为xA 或xB )yf (A )或yf (B ) yf (A )f (B )所以f (AB )f (A )f (B ) (2)因为yf (AB )xAB 使f (x )y (因为xA 且xB )yf (A )且yf (B )yf (A )f (B ) 所以f (AB )f (A )f (B )4设映射fXY 若存在一个映射gYX 使X I f g =οY I g f =ο其中I X 、I Y 分别是X 、Y 上的恒等映射即对于每一个xX 有I X xx 对于每一个yY 有I Y yy 证明f 是双射且g 是f 的逆映射gf 1 证明因为对于任意的yY 有xg (y )X 且f (x )f [g (y )]I y yy 即Y 中任意元素都是X 中某元素的像所以f 为X 到Y 的满射又因为对于任意的x 1x 2必有f (x 1)f (x 2)否则若f (x 1)f (x 2)g [f (x 1)]g [f (x 2)]x 1x 2 因此f 既是单射又是满射即f 是双射对于映射gYX 因为对每个yY 有g (y )xX 且满足f (x )f [g (y )]I y yy 按逆映射的定义g 是f 的逆映射5设映射fXYAX 证明 (1)f 1(f (A ))A(2)当f 是单射时有f 1(f (A ))A证明(1)因为xAf (x )yf (A )f 1(y )xf 1(f (A )) 所以f 1(f (A ))A(2)由(1)知f 1(f (A ))A另一方面对于任意的xf 1(f (A ))存在yf (A )使f 1(y )xf (x )y 因为yf (A )且f 是单射所以xA 这就证明了f 1(f (A ))A 因此f 1(f (A ))A 6求下列函数的自然定义域 (1)23+=x y解由3x 20得32->x 函数的定义域为) ,32[∞+-(2)211x y -=解由1x 20得x 1函数的定义域为(1)(11)(1) (3)211x x y --=解由x 0且1x 20得函数的定义域D [10)(01] (4)241x y -=解由4x 20得|x |2函数的定义域为(22) (5)x y sin =解由x 0得函数的定义D [0) (6)y tan(x 1)解由21π≠+x (k 012)得函数的定义域为 12-+≠ππk x (k 012)(7)y arcsin(x 3)解由|x 3|1得函数的定义域D [24] (8)x x y 1arctan 3+-=解由3x 0且x 0得函数的定义域D (0)(03) (9)y ln(x 1)解由x 10得函数的定义域D (1) (10)xe y 1=解由x 0得函数的定义域D (0)(0)7下列各题中函数f (x )和g (x )是否相同？为什么？ (1)f (x )lg x 2g (x )2lg x (2)f (x )xg (x )2x(3)334)(x x x f -=31)(-=x x x g (4)f (x )1g (x )sec 2x tan 2x 解(1)不同因为定义域不同(2)不同因为对应法则不同x 0时g (x )x (3)相同因为定义域、对应法则均相相同 (4)不同因为定义域不同8设⎪⎩⎪⎨⎧≥<=3||03|| |sin |)(ππϕx x x x 求)6(πϕ)4(πϕ)4(πϕ-(2)并作出函数y (x )的图形解21|6sin |)6(==ππϕ22|4sin |)4(==ππϕ22|)4sin(|)4(=-=-ππϕ0)2(=-ϕ9试证下列函数在指定区间内的单调性 (1)x x y -=1(1)(2)yx ln x (0)证明(1)对于任意的x 1x 2(1)有1x 101x 20因为当x 1x 2时所以函数x x y -=1在区间(1)内是单调增加的(2)对于任意的x 1x 2(0)当x 1x 2时有所以函数yx ln x 在区间(0)内是单调增加的10设f (x )为定义在(ll )内的奇函数若f (x )在(0l )内单调增加证明f (x )在(l 0)内也单调增加证明对于x 1x 2(l 0)且x 1x 2有x 1x 2(0l )且x 1x 2 因为f (x )在(0l )内单调增加且为奇函数所以f (x 2)f (x 1)f (x 2)f (x 1)f (x 2)f (x 1)这就证明了对于x 1x 2(l 0)有f (x 1)f (x 2)所以f (x )在(l 0)内也单调增加 11设下面所考虑的函数都是定义在对称区间(ll )上的证明 (1)两个偶函数的和是偶函数两个奇函数的和是奇函数(2)两个偶函数的乘积是偶函数两个奇函数的乘积是偶函数偶函数与奇函数的乘积是奇函数证明(1)设F (x )f (x )g (x )如果f (x )和g (x )都是偶函数则 F (x )f (x )g (x )f (x )g (x )F (x )所以F (x )为偶函数即两个偶函数的和是偶函数如果f (x )和g (x )都是奇函数则 F (x )f (x )g (x )f (x )g (x )F (x )所以F (x )为奇函数即两个奇函数的和是奇函数 (2)设F (x )f (x )g (x )如果f (x )和g (x )都是偶函数则F (x )f (x )g (x )f (x )g (x )F (x )所以F (x )为偶函数即两个偶函数的积是偶函数如果f (x )和g (x )都是奇函数则F (x )f (x )g (x )[f (x )][g (x )]f (x )g (x )F (x )所以F (x )为偶函数即两个奇函数的积是偶函数如果f (x )是偶函数而g (x )是奇函数则 F (x )f (x )g (x )f (x )[g (x )]f (x )g (x )F (x )所以F (x )为奇函数即偶函数与奇函数的积是奇函数12下列函数中哪些是偶函数哪些是奇函数哪些既非奇函数又非偶函数？ (1)yx 2(1x 2)(2)y 3x 2x 3(3)2211x x y +-= (4)yx (x 1)(x 1) (5)y sin x cos x 1(6)2x x a a y -+= 解(1)因为f (x )(x )2[1(x )2]x 2(1x 2)f (x )所以f (x )是偶函数 (2)由f (x )3(x )2(x )33x 2x 3可见f (x )既非奇函数又非偶函数(3)因为())(111)(1)(2222x f xx x x x f =+-=-+--=-所以f (x )是偶函数 (4)因为f (x )(x )(x 1)(x 1)x (x 1)(x 1)f (x )所以f (x )是奇函数(5)由f (x )sin(x )cos(x )1sin x cos x 1可见f (x )既非奇函数又非偶函数(6)因为)(22)()()(x f a a a a x f xx x x =+=+=-----所以f (x )是偶函数13下列各函数中哪些是周期函数？对于周期函数指出其周期 (1)y cos(x 2)解是周期函数周期为l 2 (2)y cos4x解是周期函数周期为2π=l(3)y 1sin x解是周期函数周期为l 2 (4)yx cos x解不是周期函数 (5)y sin 2x解是周期函数周期为l 14求下列函数的反函数(1)31+=x y解由31+=x y 得xy 31所以31+=x y 的反函数为yx 31 (2)xx y +-=11解由x x y +-=11得y yx +-=11所以x x y +-=11的反函数为xx y +-=11(3)dcx b ax y ++=(adbc 0)解由d cx b ax y ++=得a cy bdy x -+-=所以d cx b ax y ++=的反函数为acx b dx y -+-=(4)y 2sin3x解由y 2sin3x 得2arcsin 31yx =所以y 2sin3x 的反函数为2arcsin 31x y =(5)y 1ln(x 2)解由y 1ln(x 2)得xe y 12所以y 1ln(x 2)的反函数为ye x 12(6)122+=xxy 解由122+=x x y 得y y x -=1log 2所以122+=x x y 的反函数为x x y -=1log 215设函数f (x )在数集X 上有定义试证函数f (x )在X 上有界的充分必要条件是它在X上既有上界又有下界证明先证必要性设函数f (x )在X 上有界则存在正数M 使|f (x )|M 即Mf (x )M 这就证明了f (x )在X 上有下界M 和上界M再证充分性设函数f (x )在X 上有下界K 1和上界K 2即K 1f (x )K 2取M max{|K 1||K 2|}则MK 1f (x )K 2M 即|f (x )|M这就证明了f (x )在X 上有界16在下列各题中求由所给函数复合而成的函数并求这函数分别对应于给定自变量值x 1和x 2的函数值(1)yu 2u sin x 61π=x 32π=x解y sin 2x 41)21(6sin 221===πy 43)23(3sin 222===πy(2)y sin uu 2x 81π=x 42π=x解y sin2x 224sin )82sin(1==⋅=ππy 12sin )42sin(2==⋅=ππy(3)u y =u 1x 2x 11x 2 2解21x y +=21121=+=y 52122=+=y (4)ye u ux 2x 10x 21解2x e y =1201==e y e e y ==212(5)yu 2ue x x 11x 21 解ye 2x y 1e 21e 2y 2e 2(1)e 217设f (x )的定义域D [01]求下列各函数的定义域 (1)f (x 2)解由0x 21得|x |1所以函数f (x 2)的定义域为[11] (2)f (sin x )解由0sin x 1得2nx (2n 1)(n 012)所以函数f (sin x )的定义域为 [2n (2n 1)](n 012) (3)f (xa )(a >0)解由0xa 1得ax 1a 所以函数f (xa )的定义域为[a 1a ] (4)f (xa )f (xa )(a 0)解由0xa 1且0xa 1得当210≤<a 时ax 1a 当21>a 时无解因此当210≤<a 时函数的定义域为[a 1a ]当21>a 时函数无意义18设⎪⎩⎪⎨⎧>-=<=1||11||01||1)(x x x x f g (x )e x 求f [g (x )]和g [f (x )]并作出这两个函数的图形解⎪⎩⎪⎨⎧>-=<=1|| 11||01|| 1)]([x x x e e e x g f 即⎪⎩⎪⎨⎧>-=<=0 10 001)]([x x x x g f ⎪⎩⎪⎨⎧>=<==-1|| 1|| e 1|| )]([101)(x e x x e e x f g x f 即⎪⎩⎪⎨⎧>=<=-1|| 1|| 11|| )]([1x e x x e x f g19已知水渠的横断面为等腰梯形斜角40(图137)当过水断面ABCD 的面积为定值S 0时求湿周L (LABBCCD )与水深h 之间的函数关系式并指明其定义域图137解ο40sin h DC AB ==又从)]40cot 2([21S h BC BC h =⋅++ο得h hS BC ⋅-=ο40cot 0所以自变量h 的取值范围应由不等式组h 0040cot 0>⋅-h hS ο确定定义域为ο40cot 00S h <<20收敛音机每台售价为90元成本为60元厂方为鼓励销售商大量采购决定凡是订购量超过100台以上的每多订购1台售价就降低1分但最低价为每台75元 (1)将每台的实际售价p 表示为订购量x 的函数 (2)将厂方所获的利润P 表示成订购量x 的函数 (3)某一商行订购了1000台厂方可获利润多少？解(1)当0x 100时p 90令001(x 0100)9075得x 01600因此当x 1600时p 75 当100x 1600时p 90(x 100)00191001x 综合上述结果得到(2)⎪⎩⎪⎨⎧≥<<-≤≤=-=1600 151600100 01.0311000 30)60(2x x x x x x x x p P(3)P 3110000011000221000(元)习题121观察一般项x n 如下的数列{x n }的变化趋势写出它们的极限 (1)nn x 21=解当n 时n n x 21=0021lim =∞→nn (2)nx n n 1)1(-=解当n 时n x n n 1)1(-=001)1(lim =-∞→nn n(3)212nx n +=解当n 时212n x n +=22)12(lim 2=+∞→n n (4)11+-=n n x n解当n 时12111+-=+-=n n n x n 0111lim =+-∞→n n n(5)x n n (1)n解当n 时x n n (1)n 没有极限2设数列{x n }的一般项n n x n 2cos π=问n n x ∞→lim 求出N 使当nN 时x n 与其极限之差的绝对值小于正数当0001时求出数N 解0lim =∞→n n xn n n x n 1|2cos ||0|≤=-π0要使|x n 0|只要ε<n 1也就是ε1>n 取]1[ε=N 则nN 有|x n 0| 当0001时]1[ε=N 10003根据数列极限的定义证明(1)01lim 2=∞→n n分析要使ε<=-221|01|n n 只须ε12>n 即ε1>n 证明因为0]1[ε=N 当nN 时有ε<-|01|2n 所以01lim 2=∞→n n (2)231213lim =++∞→n n n分析要使ε<<+=-++n n n n 41)12(21|231213|只须ε<n41即ε41>n 证明因为0]41[ε=N 当nN 时有ε<-++|231213|n n 所以231213lim =++∞→n n n(3)1lim22=+∞→na n n分析要使ε<<++=-+=-+na n a n n a n n a n n a n 22222222)(|1|只须ε2a n >证明因为0][2εa N =当nN 时有ε<-+|1|22n a n 所以1lim 22=+∞→n a n n(4)19 999.0lim =⋅⋅⋅∞→43421个n n 分析要使|09991|ε<=-1101n 只须1101-n 即ε1lg 1+>n 证明因为0]1lg 1[ε+=N 当nN 时有|09991|所以19 999.0lim =⋅⋅⋅∞→43421个n n 4a u n n =∞→lim 证明||||lim a u n n =∞→并举例说明如果数列{|x n |}有极限但数列{x n }未必有极限证明因为a u n n =∞→lim 所以0N N 当nN 时有ε<-||a u n 从而||u n ||a |||u n a |这就证明了||||lim a u n n =∞→数列{|x n |}有极限但数列{x n }未必有极限例如1|)1(|lim =-∞→n n 但n n )1(lim -∞→不存在5设数列{x n }有界又0lim =∞→n n y 证明0lim =∞→n n n y x证明因为数列{x n }有界所以存在M 使n Z 有|x n |M 又0lim =∞→n n y 所以0N N 当nN 时有M y n ε<||从而当nN 时有所以0lim =∞→n n n y x6对于数列{x n }若x 2k 1a (k )x 2k a (k ) 证明x n a (n )证明因为x 2k 1a (k )x 2k a (k )所以0 K 1当2k 12K 11时有|x 2k 1a | K 2当2k 2K 2时有|x 2k a |取N max{2K 112K 2}只要nN 就有|x n a | 因此x n a (n ) 习题131根据函数极限的定义证明 (1)8)13(lim 3=-→x x分析因为|(3x 1)8||3x 9|3|x 3|所以要使|(3x 1)8|只须ε31|3|<-x证明因为0εδ31=当0|x 3|时有|(3x 1)8| 所以8)13(lim 3=-→x x(2)12)25(lim 2=+→x x分析因为|(5x 2)12||5x 10|5|x 2|所以要使|(5x 2)12|只须ε51|2|<-x证明因为0εδ51=当0|x 2|时有 |(5x 2)12|所以12)25(lim 2=+→x x(3)424lim 22-=+--→x x x分析因为所以要使ε<--+-)4(242x x 只须ε<--|)2(|x 证明因为0εδ=当0|x (2)|时有所以424lim 22-=+--→x x x(4)21241lim 321=+--→x x x 分析因为所以要使ε<-+-212413x x 只须ε21|)21(|<--x 证明因为0εδ21=当δ<--<|)21(|0x 时有所以21241lim 321=+--→x x x 2根据函数极限的定义证明(1)2121lim 33=+∞→x x x 分析因为所以要使ε<-+212133x x 只须ε<3||21x 即321||ε>x 证明因为0321ε=X 当|x |X 时有所以2121lim 33=+∞→x x x (2)0sin lim =+∞→x x x分析因为所以要使ε<-0sin x x 只须ε<x1即21ε>x证明因为021ε=X 当xX 时有所以0sin lim =+∞→xx x3当x 2时yx 24问等于多少使当|x 2|<时|y 4|<0001？解由于当x 2时|x 2|0故可设|x 2|1即1x 3要使|x 24||x 2||x 2|5|x 2|0001 只要0002.05001.0|2|=<-x取00002则当0|x 2|时就有|x 24|00014当x 时13122→+-=x x y 问X 等于多少使当|x |X 时|y 1|001 解要使01.034131222<+=-+-x x x 只要397301.04||=->x 故397=X5证明函数f (x )|x |当x 0时极限为零证明因为|f (x )0|||x |0||x ||x 0| 所以要使|f (x )0|只须|x | 因为对0使当0|x 0|时有 |f (x )0|||x |0| 所以0||lim 0=→x x6求,)(xx x f =x x x ||)(=ϕ当x 0时的左﹑右极限并说明它们在x 0时的极限是否存在证明因为所以极限)(lim 0x f x →存在因为所以极限)(lim 0x x ϕ→不存在7证明若x 及x 时函数f (x )的极限都存在且都等于A 则A x f x =∞→)(lim证明因为A x f x =-∞→)(lim A x f x =+∞→)(lim 所以>0X 10使当xX 1时有|f (x )A | X 20使当xX 2时有|f (x )A |取X max{X 1X 2}则当|x |X 时有|f (x )A |即A x f x =∞→)(lim8根据极限的定义证明函数f (x )当xx 0时极限存在的充分必要条件是左极限、右极限各自存在并且相等证明先证明必要性设f (x )A (xx 0)则>00使当0<|xx 0|<时有 |f (x )A |<因此当x 0<x <x 0和x 0<x <x 0时都有 |f (x )A |<这说明f (x )当xx 0时左右极限都存在并且都等于A 再证明充分性设f (x 00)f (x 00)A 则>0 1>0使当x 01<x <x 0时有|f (x )A <2>0使当x 0<x <x 0+2时有|f (x )A |<取min{12}则当0<|xx 0|<时有x 01<x <x 0及x 0<x <x 0+2从而有 |f (x )A |< 即f (x )A (xx 0)9试给出x 时函数极限的局部有界性的定理并加以证明解x 时函数极限的局部有界性的定理如果f (x )当x 时的极限存在则存在X 0及M 0使当|x |X 时|f (x )|M证明设f (x )A (x )则对于1X 0当|x |X 时有|f (x )A |1所以 |f (x )||f (x )AA ||f (x )A ||A |1|A |这就是说存在X 0及M 0使当|x |X 时|f (x )|M 其中M 1|A | 习题141两个无穷小的商是否一定是无穷小？举例说明之解不一定例如当x 0时(x )2x (x )3x 都是无穷小但32)()(lim0=→x x x βα)()(x x βα不是无穷小2根据定义证明(1)392+-=x x y 当x 3时为无穷小; (2)xx y 1sin =当x 0时为无穷小证明(1)当x 3时|3|39||2-=+-=x x x y 因为0当0|x 3|时有所以当x 3时392+-=x x y 为无穷小 (2)当x 0时|0||1sin |||||-≤=x xx y 因为0当0|x 0|时有所以当x 0时xx y 1sin =为无穷小3根据定义证明函数xx y 21+=为当x 0时的无穷大问x 应满足什么条件能使|y |104？证明分析2||11221||-≥+=+=x x x x y 要使|y |M 只须M x >-2||1即21||+<M x证明因为M 021+=M δ使当0|x 0|时有M xx >+21所以当x 0时函数xx y 21+=是无穷大取M 104则21014+=δ当2101|0|04+<-<x 时|y |104 4求下列极限并说明理由 (1)xx x 12lim +∞→;(2)xx x --→11lim 20 解(1)因为xx x 1212+=+而当x 时x 1是无穷小所以212lim =+∞→x x x(2)因为x xx +=--1112(x 1)而当x 0时x 为无穷小所以111lim 20=--→x x x5根据函数极限或无穷大定义填写下表f (x )Af (x )f (x )f (x )xx 0 00使当0|xx 0|时有恒|f (x )A |xx 0 xx 0x 0X 0使当|x |X 时有恒|f (x )|Mx x解f (x )A f (x ) f (x ) f (x ) xx 000使当0|xx 0|时有恒|f (x )A | M 00使当0|xx 0|时有恒|f (x )|M M 00使当0|xx 0|时有恒f (x )M M 00使当0|xx 0|时有恒f (x )M xx 000使当0xx 0时有恒|f (x )A | M 00使当0xx 0时有恒|f (x )|M M 00使当0xx 0时有恒f (x )M M 00使当0xx 0时有恒f (x )M xx 000使当0x 0x 时有恒|f (x )A | M 00使当0x 0x 时有恒|f (x )|M M 00使当0x 0x 时有恒f (x )M M 00使当0x 0x 时有恒f (x )M x0X 0使当|x |X 时有恒|f (x )A | 0X 0使当|x |X 时有恒|f (x )|M 0X 0使当|x |X 时有恒f (x )M 0X 0使当|x |X 时有恒f (x )M x0X 0使当xX 时有恒|f (x )A | 0X 0使当xX 时有恒|f (x )|M 0X 0使当xX 时有恒f (x )M 0X 0使当xX 时有恒f (x )Mx0X 0使当xX 时有恒|f (x )A | 0X 0使当xX 时有恒|f (x )|M 0X 0使当xX 时有恒f (x )M 0X 0使当xX 时有恒f (x )M6函数yx cos x 在()内是否有界？这个函数是否为当x 时的无穷大？为什么？解函数yx cos x 在()内无界这是因为M 0在()内总能找到这样的x 使得|y (x )|M 例如y (2k )2k cos2k 2k (k 012)当k 充分大时就有|y (2k )|M 当x 时函数yx cos x 不是无穷大这是因为M 0找不到这样一个时刻N 使对一切大于N 的x 都有|y (x )|M 例如0)22cos()22()22(=++=+ππππππk k k y (k 012)对任何大的N 当k 充分大时总有N k x >+=22ππ但|y (x )|0M7证明函数xx y 1sin 1=在区间(01]上无界但这函数不是当x 0+时的无穷大证明函数xx y 1sin 1=在区间(01]上无界这是因为M 0在(01]中总可以找到点x k 使y (x k )M 例如当221ππ+=k x k (k 012)时有当k 充分大时y (x k )M当x 0+时函数xx y 1sin 1=不是无穷大这是因为M 0对所有的0总可以找到这样的点x k 使0x k 但y (x k )M 例如可取πk x k 21=(k 012)当k 充分大时x k 但y (x k )2k sin2k 0M 习题151计算下列极限(1)35lim 22-+→x x x 解9325235lim222-=-+=-+→x x x (2)13lim 223+-→x x x 解01)3(3)3(13lim 22223=+-=+-→x x x (3)112lim 221-+-→x x x x 解02011lim )1)(1()1(lim 112lim 121221==+-=+--=-+-→→→x x x x x x x x x x x (4)x x x x x x 2324lim 2230++-→ 解2123124lim 2324lim 202230=++-=++-→→x x x x x x x x x x (5)hx h x h 220)(lim -+→解x h x hx h hx x h x h x h h h 2)2(lim 2lim )(lim 02220220=+=-++=-+→→→(6))112(lim 2x x x +-∞→解21lim 1lim2)112(lim 22=+-=+-∞→∞→∞→x x x x x x x (7)121lim 22---∞→x x x x 解2111211lim 121lim 2222=---=---∞→∞→xx x x x xx x (8)13lim 242--+∞→x x x x x 解013lim 242=--+∞→x x x x x (分子次数低于分母次数极限为零) 或012111lim 13lim 4232242=--+=--+∞→∞→x x x x x x x x x x (9)4586lim 224+-+-→x x x x x 解32142412lim )4)(1()4)(2(lim 4586lim 44224=--=--=----=+-+-→→→x x x x x x x x x x x x x (10))12)(11(lim 2x x x -+∞→解221)12(lim )11(lim )12)(11(lim 22=⨯=-⋅+=-+∞→∞→∞→x x x x x x x (11))21 41211(lim n n +⋅⋅⋅+++∞→ 解2211)21(1lim )21 41211(lim 1=--=+⋅⋅⋅++++∞→∞→n n n n (12)2)1( 321limn n n -+⋅⋅⋅+++∞→解211lim 212)1(lim )1( 321lim 22=-=-=-+⋅⋅⋅+++∞→∞→∞→n n n n n n n n n n (13)35)3)(2)(1(limn n n n n +++∞→解515)3)(2)(1(lim3=+++∞→n n n n n (分子与分母的次数相同极限为最高次项系数之比)或51)31)(21)(11(lim 515)3)(2)(1(lim3=+++=+++∞→∞→n n n n n n n n n (14))1311(lim 31x x x ---→解)1)(1()2)(1(lim )1)(1(31lim )1311(lim 2122131x x x x x x x x x x x x x x x ++-+--=++--++=---→→→ 2计算下列极限(1)2232)2(2lim -+→x x x x 解因为01602)2(lim 2322==+-→x x x x 所以∞=-+→2232)2(2lim x x x x (2)12lim 2+∞→x x x解∞=+∞→12lim 2x x x (因为分子次数高于分母次数) (3))12(lim 3+-∞→x x x解∞=+-∞→)12(lim 3x x x (因为分子次数高于分母次数)3计算下列极限 (1)xx x 1sin lim 20→解01sin lim 20=→x x x (当x 0时x 2是无穷小而x 1sin 是有界变量) (2)xx x arctan lim ∞→解0arctan 1lim arctan lim =⋅=∞→∞→x x xx x x (当x 时x 1是无穷小而arctan x 是有界变量) 4证明本节定理3中的(2) 习题151计算下列极限(1)35lim 22-+→x x x解9325235lim222-=-+=-+→x x x (2)13lim 223+-→x x x解01)3(3)3(13lim 22223=+-=+-→x x x (3)112lim 221-+-→x x x x 解02011lim )1)(1()1(lim 112lim 121221==+-=+--=-+-→→→x x x x x x x x x x x (4)xx x x x x 2324lim 2230++-→ 解2123124lim 2324lim 202230=++-=++-→→x x x x x x x x x x (5)hx h x h 220)(lim -+→解x h x h x h hx x h x h x h h h 2)2(lim 2lim )(lim 02220220=+=-++=-+→→→ (6))112(lim 2x x x +-∞→解21lim 1lim2)112(lim 22=+-=+-∞→∞→∞→x x x x x x x (7)121lim 22---∞→x x x x 解2111211lim 121lim 2222=---=---∞→∞→xx x x x x x x (8)13lim 242--+∞→x x x x x 解013lim 242=--+∞→x x x x x (分子次数低于分母次数极限为零) 或012111lim 13lim 4232242=--+=--+∞→∞→x x x x x x x x x x (9)4586lim 224+-+-→x x x x x解32142412lim )4)(1()4)(2(lim 4586lim 44224=--=--=----=+-+-→→→x x x x x x x x x x x x x (10))12)(11(lim 2xx x -+∞→解221)12(lim )11(lim )12)(11(lim 22=⨯=-⋅+=-+∞→∞→∞→x x x x x x x (11))21 41211(lim n n +⋅⋅⋅+++∞→解2211)21(1lim )21 41211(lim 1=--=+⋅⋅⋅++++∞→∞→n n n n (12)2)1( 321limnn n -+⋅⋅⋅+++∞→ 解211lim 212)1(lim )1( 321lim 22=-=-=-+⋅⋅⋅+++∞→∞→∞→n n n nn n n n n n (13)35)3)(2)(1(limn n n n n +++∞→解515)3)(2)(1(lim 3=+++∞→nn n n n (分子与分母的次数相同极限为最高次项系数之比)或51)31)(21)(11(lim 515)3)(2)(1(lim 3=+++=+++∞→∞→n n n n n n n n n (14))1311(lim 31x x x ---→解)1)(1()2)(1(lim )1)(1(31lim )1311(lim 2122131x x x x x x x x x x x x x x x ++-+--=++--++=---→→→ 2计算下列极限(1)2232)2(2lim -+→x x x x 解因为01602)2(lim 2322==+-→x x x x 所以∞=-+→2232)2(2limx x x x (2)12lim 2+∞→x x x 解∞=+∞→12lim 2x x x (因为分子次数高于分母次数) (3))12(lim 3+-∞→x x x解∞=+-∞→)12(lim 3x x x (因为分子次数高于分母次数)3计算下列极限 (1)xx x 1sin lim 20→解01sin lim 20=→x x x (当x 0时x 2是无穷小而x 1sin 是有界变量) (2)xx x arctan lim ∞→解0arctan 1lim arctan lim =⋅=∞→∞→x x xx x x (当x 时x 1是无穷小而arctan x 是有界变量) 4证明本节定理3中的(2) 习题171当x 0时2xx 2与x 2x 3相比哪一个是高阶无穷小？解因为02lim 2lim 202320=--=--→→xx x x x x x x x 所以当x 0时x 2x 3是高阶无穷小即x 2x 3o (2xx 2)2当x 1时无穷小1x 和(1)1x 3(2))1(212x -是否同阶？是否等价？解(1)因为3)1(lim 1)1)(1(lim 11lim 212131=++=-++-=--→→→x x xx x x x x x x x 所以当x 1时1x 和1x 3是同阶的无穷小但不是等价无穷小(2)因为1)1(lim 211)1(21lim 121=+=--→→x x x x x 所以当x 1时1x 和)1(212x -是同阶的无穷小而且是等价无穷小3证明当x 0时有 (1)arctan x ~x(2)2~1sec 2x x - 证明(1)因为1tan limarctan lim 00==→→y yxx y x (提示令y arctan x 则当x 0时y 0) 所以当x 0时arctan x ~x(2)因为1)22sin 2(lim 22sin 2lim cos cos 1lim 2211sec lim 202202020===-=-→→→→x xx x x x x xx x x x x 所以当x 0时2~1sec 2x x -4利用等价无穷小的性质求下列极限 (1)xx x 23tan lim 0→(2)mn x x x )(sin )sin(lim 0→(nm 为正整数)(3)x x x x 30sin sin tan lim -→ (4))1sin 1)(11(tan sin lim320-+-+-→x x x x x 解(1)2323lim 23tan lim 00==→→x x x x x x(2)⎪⎩⎪⎨⎧<∞>===→→mn m n m n x x x x mn x m n x 0 1lim )(sin )sin(lim00 (3)21cos 21lim sin cos cos 1lim sin )1cos 1(sin lim sin sin tan lim 220203030==-=-=-→→→→x x x x x x x x x x x x x x x x (4)因为32221)2(2~2sin tan 2)1(cos tan tan sin x x x x x x x x x -=⋅--=-=-(x 0)23232223231~11)1(11x x x x x ++++=-+(x 0) x x x x x ~sin ~1sin 1sin 1sin 1++=-+(x 0) 所以33121lim )1sin 1)(11(tan sin lim 230320-=⋅-=-+-+-→→x x x x x x x x x 5证明无穷小的等价关系具有下列性质 (1)~(自反性)(2)若~则~(对称性) (3)若~~则~(传递性) 证明(1)1lim =αα所以~(2)若~则1lim =βα从而1lim=αβ因此~ (3)若~~1lim limlim =⋅=βαγβγα因此~ 习题181研究下列函数的连续性并画出函数的图形(1)⎩⎨⎧≤<-≤≤=21 210 )(2x x x x x f解已知多项式函数是连续函数所以函数f (x )在[01)和(12]内是连续的在x 1处因为f (1)1并且所以1)(lim 1=→x f x 从而函数f (x )在x 1处是连续的综上所述，函数f (x )在[02]上是连续函数(2)⎩⎨⎧>≤≤-=1|| 111 )(x x x x f解只需考察函数在x 1和x 1处的连续性在x 1处因为f (1)1并且所以函数在x 1处间断但右连续在x 1处因为f (1)1并且1lim )(lim 11==--→→x x f x x f (1)11lim )(lim 11==++→→x x x f f (1)所以函数在x 1处连续综合上述讨论函数在(1)和(1)内连续在x 1处间断但右连续2下列函数在指出的点处间断说明这些间断点属于哪一类如果是可去间断点则补充或改变函数的定义使它连续(1)23122+--=x x x y x 1x 2 解)1)(2()1)(1(23122---+=+--=x x x x x x x y 因为函数在x 2和x 1处无定义所以x 2和x 1是函数的间断点因为∞=+--=→→231lim lim 2222x x x y x x 所以x 2是函数的第二类间断点因为2)2()1(limlim 11-=-+=→→x x y x x 所以x 1是函数的第一类间断点并且是可去间断点在x 1处令y 2则函数在x 1处成为连续的 (2)xx y tan =xk 2ππ+=k x (k 012)解函数在点xk (k Z)和2ππ+=k x (k Z)处无定义因而这些点都是函数的间断点因∞=→x x k x tan lim π(k 0)故xk (k 0)是第二类间断点因为1tan lim0=→x x x 0tan lim2=+→xx k x ππ(k Z)所以x 0和2 ππ+=k x (k Z)是第一类间断点且是可去间断点令y |x 01则函数在x 0处成为连续的令2 ππ+=k x 时y 0则函数在2ππ+=k x 处成为连续的(3)xy 1cos 2=x 0解因为函数x y 1cos 2=在x 0处无定义所以x 0是函数x y 1cos 2=的间断点又因为xx 1cos lim 20→不存在所以x 0是函数的第二类间断点(4)⎩⎨⎧>-≤-=1 31 1x x x x y x 1解因为0)1(lim )(lim 11=-=--→→x x f x x 2)3(lim )(lim 11=-=++→→x x f x x 所以x 1是函数的第一类不可去间断点3讨论函数x x x x f nnn 2211lim )(+-=∞→的连续性若有间断点判别其类型解⎪⎩⎪⎨⎧<=>-=+-=∞→1||1|| 01|| 11lim )(22x x x x x x xx x f nnn 在分段点x 1处因为1)(lim )(lim 11=-=---→-→x x f x x 1lim )(lim 11-==++-→-→x x f x x 所以x 1为函数的第一类不可去间断点在分段点x 1处因为1lim )(lim 11==--→→x x f x x 1)(lim )(lim 11-=-=++→→x x f x x 所以x 1为函数的第一类不可去间断点4证明若函数f (x )在点x 0连续且f (x 0)0则存在x 0的某一邻域U (x 0)当xU (x 0)时f (x )0 证明不妨设f (x 0)>0因为f (x )在x 0连续所以0)()(lim 00>=→x f x f x x 由极限的局部保号性定理存在x 0的某一去心邻域)(0x U ο使当x )(0x U ο时f (x )>0从而当xU (x 0)时f (x )>0这就是说则存在x 0的某一邻域U (x 0)当xU (x 0)时f (x )0 5试分别举出具有以下性质的函数f (x )的例子(1)x 01221±n n1±是f (x )的所有间断点且它们都是无穷间断点解函数x x x f ππcsc )csc()(+=在点x 01221±n n1±处是间断的且这些点是函数的无穷间断点(2)f (x )在R 上处处不连续但|f (x )|在R 上处处连续解函数⎩⎨⎧∉∈-=Q Qx x x f 1 1)(在R 上处处不连续但|f (x )|1在R 上处处连续(3)f (x )在R 上处处有定义但仅在一点连续解函数⎩⎨⎧∉-∈=Q Qx x x x x f )(在R 上处处有定义它只在x 0处连续习题191求函数633)(223-+--+=x x x x x x f 的连续区间并求极限)(lim 0x f x →)(lim 3x f x -→及)(lim 2x f x → 解)2)(3()1)(1)(3(633)(223-++-+=-+--+=x x x x x x x x x x x f 函数在()内除点x 2和x 3外是连续的所以函数f (x )的连续区间为(3)、(32)、(2) 在函数的连续点x 0处21)0()(lim 0==→f x f x 在函数的间断点x 2和x 3处2设函数f (x )与g (x )在点x 0连续证明函数 (x )max{f (x )g (x )}(x )min{f (x )g (x )} 在点x 0也连续证明已知)()(lim 00x f x f x x =→)()(lim 00x g x g x x =→可以验证因此] |)()(|)()([21)(00000x g x f x g x f x -++=ϕ因为] |)()(|)()([210000x g x f x g x f -++=(x 0) 所以(x )在点x 0也连续同理可证明(x )在点x 0也连续 3求下列极限 (1)52lim 20+-→x x x(2)34)2(sin lim x x π→(3))2cos 2ln(lim 6x x π→(4)xx x 11lim 0-+→(5)145lim 1---→x x x x(6)a x a x a x --→sin sin lim(7))(lim 22x x x x x --++∞→解(1)因为函数52)(2+-=x x x f 是初等函数f (x )在点x 0有定义所以(2)因为函数f (x )(sin2x )3是初等函数f (x )在点4π=x 有定义所以(3)因为函数f (x )ln(2cos2x )是初等函数f (x )在点6π=x 有定义所以(4))11(lim)11()11)(11(lim 11lim 000++=++++-+=-+→→→x x x x x x x x x x x x (5))45)(1()45)(45(lim 145lim 11x x x x x x x x x x x x +--+---=---→→(6)ax ax a x a x a x a x a x --+=--→→2sin 2cos 2limsin sin lim (7))())((lim )(lim 22222222x x x x x x x x x x x x x x x x x x -++-++--+=--++∞→+∞→4求下列极限 (1)xx e 1lim∞→(2)x x x sin ln lim 0→(3)2)11(lim xx x +∞→ (4)x x x 2cot 20)tan 31(lim +→(5)21)63(lim -∞→++x x xx (6)x x x x x x -++-+→20sin 1sin 1tan 1lim解(1)1lim 01lim 1===∞→∞→e ee xxx x(2)01ln )sin lim ln(sin ln lim 00===→→x x x x x x(3)[]e e x x x x xx ==+=+∞→∞→21212)11(lim )11(lim(4)[]33tan 312cot 222)tan31(lim )tan 31(lim e x x x x x x =+=+→→(5)21633621)631()63(-+-⋅-+-+-+=++x x x x xx x 因为所以2321)63(lim --∞→=++e xx x x(6))sin 1tan 1)(1sin 1()1sin 1)(sin 1tan 1(limsin 1sin 1tan 1lim 22020x x x x x x x x x x x x x x +++-++++-+=-++-+→→ 5设函数⎩⎨⎧≥+<=0 0)(x x a x e x f x 应当如何选择数a 使得f (x )成为在()内的连续函数？解要使函数f (x )在()内连续只须f (x )在x 0处连续即只须因为1lim )(lim 0==-→-→x x x e x f a x a x f x x =+=+→+→)(lim )(lim 00所以只须取a 1习题1101证明方程x 53x 1至少有一个根介于1和2之间证明设f (x )x 53x 1则f (x )是闭区间[12]上的连续函数因为f (1)3f (2)25f (1)f (2)0所以由零点定理在(12)内至少有一点 (12)使f ()0即x 是方程x 53x 1的介于1和2之间的根因此方程x 53x 1至少有一个根介于1和2之间2证明方程xa sin xb 其中a 0b 0至少有一个正根并且它不超过ab 证明设f (x )a sin xbx 则f (x )是[0ab ]上的连续函数f (0)bf (ab )a sin(ab )b (ab )a [sin(ab )1]0若f (ab )0则说明xab 就是方程xa sin xb 的一个不超过ab 的根若f (ab )0则f (0)f (ab )0由零点定理至少存在一点(0ab )使f ()0这说明x 也是方程x =a sin xb 的一个不超过ab 的根总之方程xa sin xb 至少有一个正根并且它不超过ab3设函数f (x )对于闭区间[ab ]上的任意两点x 、y 恒有|f (x )f (y )|L |xy |其中L 为正常数且f (a )f (b )0证明至少有一点(ab )使得f ()0 证明设x 0为(ab )内任意一点因为所以0|)()(|lim 00=-→x f x f x x即)()(lim 00x f x f x x =→因此f (x )在(ab )内连续同理可证f (x )在点a 处左连续在点b 处右连续所以f (x )在[ab ]上连续因为f (x )在[ab ]上连续且f (a )f (b )0由零点定理至少有一点(ab )使得f ()0 4若f (x )在[ab ]上连续ax 1x 2x n b 则在[x 1x n ]上至少有一点使证明显然f (x )在[x 1x n ]上也连续设M 和m 分别是f (x )在[x 1x n ]上的最大值和最小值因为x i [x 1x n ](1in )所以有mf (x i )M 从而有由介值定理推论在[x 1x n ]上至少有一点使5证明若f (x )在()内连续且)(lim x f x ∞→存在则f (x )必在()内有界证明令A x f x =∞→)(lim 则对于给定的0存在X 0只要|x |X 就有|f (x )A |即Af (x )A又由于f (x )在闭区间[XX ]上连续根据有界性定理存在M 0使|f (x )|Mx [XX ] 取N max{M |A ||A |}则|f (x )|Nx ()即f (x )在()内有界 6在什么条件下(ab )内的连续函数f (x )为一致连续？总习题一1在“充分”、“必要”和“充分必要”三者中选择一个正确的填入下列空格内 (1)数列{x n }有界是数列{x n }收敛的________条件数列{x n }收敛是数列{x n }有界的________的条件(2)f (x )在x 0的某一去心邻域内有界是)(lim 0x f x x →存在的________条件)(lim 0x f x x →存在是f (x )在x 0的某一去心邻域内有界的________条件(3)f (x )在x 0的某一去心邻域内无界是∞=→)(lim 0x f x x 的________条件∞=→)(lim 0x f x x 是f (x )在x 0的某一去心邻域内无界的________条件(4)f (x )当xx 0时的右极限f (x 0)及左极限f (x 0)都存在且相等是)(lim 0x f x x →存在的________条件解(1)必要充分 (2)必要充分 (3)必要充分 (4)充分必要2选择以下题中给出的四个结论中一个正确的结论设f (x )2x 3x 2则当x 0时有()(A )f (x )与x 是等价无穷小(B )f (x )与x 同阶但非等价无穷小 (C )f (x )是比x 高阶的无穷小(D )f (x )是比x 低阶的无穷小解因为x x xx x f x x x x x x x x 13lim 12lim 232lim )(lim 0000-+-=-+=→→→→3ln 2ln )1ln(lim 3ln )1ln(lim 2ln 00+=+++=→→u u t t u t (令2x 1t 3x 1u )所以f (x )与x 同阶但非等价无穷小故应选B 3设f (x )的定义域是[01]求下列函数的定义域 (1)f (e x ) (2)f (ln x ) (3)f (arctan x ) (4)f (cos x )解(1)由0e x 1得x 0即函数f (e x )的定义域为(0] (2)由0ln x 1得1xe 即函数f (ln x )的定义域为[1e ](3)由0arctan x 1得0x tan1即函数f (arctan x )的定义域为[0tan1] (4)由0cos x 1得2222ππππ+≤≤-n x n (n 012)即函数f (cos x )的定义域为[2,22ππππ+-n n ](n 012)4设求f [f (x )]g [g (x )]f [g (x )]g [f (x )]解因为f (x )0所以f [f (x )]f (x )⎩⎨⎧>≤=0 00x x x因为g (x )0所以g [g (x )]0因为g (x )0所以f [g (x )]0因为f (x )0所以g [f (x )]f 2(x )⎩⎨⎧>-≤=0 002x x x5利用y sin x 的图形作出下列函数的图形(1)y |sin x | (2)y sin|x | (3)2sin 2x y =6把半径为R 的一圆形铁片自中心处剪去中心角为的一扇形后围成一无底圆锥试将这圆锥的体积表为的函数解设围成的圆锥的底半径为r 高为h 依题意有R (2)2r παπ2)2(-=R r圆锥的体积为22234)2(24a R -⋅-=πααππ(02) 7根据函数极限的定义证明536lim 23=---→x x x x证明对于任意给定的0要使ε<----|536|2x x x 只需|x 3|取当0|x 3|时就有|x 3|即ε<----|536|2x x x 所以536lim 23=---→x x x x8求下列极限(1)221)1(1lim -+-→x x x x (2))1(lim 2x x x x -++∞→(3)1)1232(lim +∞→++x x x x(4)30sin tan lim x x x x -→ (5)x x x x x c b a 10)3(lim ++→(a 0b 0c 0) (6)x x x tan 2)(sin lim π→解(1)因为01)1(lim 221=+--→x x x x 所以∞=-+-→221)1(1lim x x x x (2))1()1)(1(lim )1(lim 2222x x x x x x x x x x x x ++++-+=-++∞→+∞→(3)2121211)1221(lim )1221(lim )1232(lim ++∞→+∞→+∞→++=++=++x x x x x x x x x x (4)xx x x x x x x x x x x x cos )cos 1(sin lim )1cos 1(sin lim sin tan lim 303030-=-=-→→→ (提示用等价无穷小换)(5)x c b a c b a x x x x x x x x x x x x x x x c b a c b a 3333010)331(lim )3(lim -++⋅-++→→-+++=++因为所以3ln 103)3(lim abc e c b a abc x x x x x ==++→提示求极限过程中作了变换a x 1tb x 1uc x1v(6)xx x x xx x x tan )1(sin 1sin 12tan 2)]1(sin 1[lim )(sin lim -⋅-→→-+=ππ因为所以1)(sin lim 0tan 2==→e x x x π9设⎪⎩⎪⎨⎧≤+>=01sin )(2x x a x xx x f 要使f (x )在()内连续应怎样选择数a 解要使函数连续必须使函数在x 0处连续因为f (0)a a x a x f x x =+=--→→)(lim )(lim 20001sin lim )(lim 00==++→→xx x f x x所以当a 0时f (x )在x 0处连续因此选取a 0时f (x )在()内连续10设⎪⎩⎪⎨⎧≤<-+>=-01 )1ln(0 )(11x x x e x f x 求f (x )的间断点并说明间断点所属类形解因为函数f (x )在x 1处无定义所以x 1是函数的一个间断点因为0lim )(lim 1111==-→→--x x x e x f (提示-∞=--→11lim 1x x )∞==-→→++1111lim )(lim x x x e x f (提示+∞=-+→11lim 1x x )所以x 1是函数的第二类间断点又因为0)1ln(lim )(lim 0=+=--→→x x f x x ee xf x x x 1lim )(lim 11==-→→++所以x 0也是函数的间断点且为第一类间断点11证明()11 2111lim 222=++⋅⋅⋅++++∞→nn n n n 证明因为()11 211122222+≤++⋅⋅⋅++++≤+n n n n n n n n n 且所以()11 2111lim 222=++⋅⋅⋅++++∞→nn n n n 12证明方程sin xx 10在开区间)2,2(ππ-内至少有一个根证明设f (x )sin xx 1则函数f (x )在]2,2 [ππ-上连续因为2121)2 (πππ-=+--=-f 22121)2 (πππ+=++=f 0)2 ()2 (<⋅-ππf f所以由零点定理在区间)2,2 (ππ-内至少存在一点使f ()0这说明方程sin xx 10在开区间)2,2 (ππ-内至少有一个根13如果存在直线Lykxb 使得当x (或xx )时曲线yf (x )上的动点M (xy )到直线L 的距离d (ML )0则称L 为曲线yf (x )的渐近线当直线L 的斜率k 0时称L 为斜渐近线 (1)证明直线Lykxb 为曲线yf (x )的渐近线的充分必要条件是 (2)求曲线xe x y 1)12(-=的斜渐近线证明(1)仅就x 的情况进行证明按渐近线的定义ykxb 是曲线yf (x )的渐近线的充要条件是必要性设ykxb 是曲线yf (x )的渐近线则0)]()([lim =+-∞→b kx x f x于是有0])([lim =--∞→x b k x x f x x 0)(lim =-∞→k x x f x xx f k x )(lim∞→= 同时有0])([lim =--∞→b kx x f x ])([lim kx x f b x -=∞→充分性如果xx f k x )(lim∞→=])([lim kx x f b x -=∞→则因此ykxb 是曲线yf (x )的渐近线(2)因为212lim lim 1=⋅-==∞→∞→x x x e x x x y k。

(完整版)高等数学第六版(同济大学)上册课后习题答案解析

高等数学第六版上册课后习题答案及解析第一章习题1—11. 设A=(-, —5)(5, +)，B=［-10， 3), 写出A B，A B, A\B及A\(A\B）的表达式。

解A B=（-, 3）（5, +)，A B=[-10，—5）,A\B=（—， -10)(5， +），A\（A\B）=[-10, -5）.2. 设A、B是任意两个集合，证明对偶律： (A B）C=A C B C。

证明因为x(A B）C x A B x A或x B x A C或x B C x A C B C，所以（A B)C=A C B C。

3. 设映射f : X Y, A X, B X。

证明（1)f(A B)=f(A）f（B）;（2）f（A B)f(A)f（B）.证明因为y f(A B）x A B, 使f（x）=y(因为x A或x B) y f（A）或y f（B)y f(A）f（B),所以f(A B）=f（A)f(B).(2）因为y f(A B）x A B, 使f(x）=y（因为x A且x B） y f(A)且y f（B)yf (A ）f (B ），所以 f (A B ）f （A )f (B )。

4。

设映射f ： XY , 若存在一个映射g : Y X , 使X I f g = ， Y I g f = , 其中I X 、I Y 分别是X 、Y 上的恒等映射, 即对于每一个xX , 有I X x =x ; 对于每一个y Y , 有I Y y =y 。

证明：f 是双射，且g 是f 的逆映射： g =f —1.证明因为对于任意的yY ，有x =g （y )X , 且f （x ）=f [g （y )]=I y y =y , 即Y 中任意元素都是X 中某元素的像, 所以f 为X 到Y 的满射. 又因为对于任意的x 1x 2, 必有f (x 1)f (x 2), 否则若f (x 1）=f (x 2)g [ f （x 1)]=g [f (x 2）］x 1=x 2。

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|sin x | | x | 3 求 ( ) ( ) ( ) (2) 并作出函数 y(x) 8 设 ( x) 4 6 4 | x | 0 3
的图形解 ( ) |sin | 1 ( ) |sin | 2 ( ) |sin( )| 2 (2) 0 6 6 2 4 4 2 4 4 2 9 试证下列函数在指定区间内的单调性 (1) y x ( 1) 1 x (2)yxln x (0 ) 证明 (1)对于任意的 x1 x2( 1) 有 1x10 1x20 因为当 x1x2 时
同济六版高等数学课后答案全集第一章习题 11 1 设 A( 5)(5 ) B[10 3) 写出 AB AB A\B 及 A\(A\B)的表达式解 AB( 3)(5 ) AB[10 5) A\B( 10)(5 ) A\(A\B)[10 5) 2 设 A、B 是任意两个集合证明对偶律 (AB)CAC BC 证明因为 x(AB)CxAB xA 或 xB xAC 或 xBC xAC BC (AB)CAC BC 所以 3 设映射 f X Y AX BX 证明 (1)f(AB)f(A)f(B) (2)f(AB)f(A)f(B) 证明因为 yf(AB)xAB 使 f(x)y (因为 xA 或 xB) yf(A)或 yf(B) 所以 yf(A)f(B) f(AB)f(A)f(B) (2)因为 yf(AB)xAB 使 f(x)y(因为 xA 且 xB) yf(A)且 yf(B) y f(A)f(B) f(AB)f(A)f(B) 所以 4 设映射 f XY 若存在一个映射 g YX 使 g f I X f g IY 其中 IX、 IY 分别是 X、Y 上的恒等映射即对于每一个 xX 有 IX xx 对于每一个 yY 有 IY yy 证明 f 是双射且 g 是 f 的逆映射 gf 1 证明因为对于任意的 yY 有 xg(y)X 且 f(x)f[g(y)]Iy yy 即 Y 中任意元素都是 X 中某元素的像所以 f 为 X 到 Y 的满射又因为对于任意的 x1x2 必有 f(x1)f(x2) 否则若 f(x1)f(x2)g[ f(x1)]g[f(x2)] x1x2 因此 f 既是单射又是满射即 f 是双射

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则 f(x)在区间 [ a , b ] 上可积 .
3、定积分的几何意义
b
f(x)0, a f (x)dx A
曲边梯形的面积
b
f(x)0, f (x)dx A a
y yf(x)
A
oa
bx
曲边梯形的面积的负值
4、定积分的性质
性质1
b
[f(x)g(x)]dx
a
b a
(x)d
x
f(t)d t f(x)
dxa
(axb)
推论1 设F(x) (x) f(t)d， t 则 F (x )f[(x )] (x ) a
推论2 设F(x) (x)f(t)d， t 则 (x)
F ( x ) f [( x ) ( ] x ) f [( x ) ( ] x )
b
f (x)dxa g(x)dx
性质2 a b k(x f )d x k a b f(x )dx (k 为常数 )
性质3 a bf(x)d x a cf(x)d x c bf(x)dx
性质4 a b1d x a bd x ba
性质5 （估值定理）设 M 及 m 分别是函数 f ( x ) 在区间 [ a , b ] 上的最大值及最小值，
是f(x)的一个原 ,在函证数明定积分题的时 ,这有是关一条思 . 路
6、定积分的计算法
（1）换元法
abf(x)dx f[(t)](t)dt
换元公式
（2）分部积分法
abudv[u]vb aabvdu
分部积分公式
7、重要公式
y y R2x2
（1）
一、主要内容
问题1: 曲边梯形的面积
问题2: 变速直线运动的路程
几何意义
反常积分
存在定理
定积分重要公式
的定性积质分
重要定理、牛顿-莱布尼茨公式
计算法
定积分的
1、问题的提出
实例1 （求曲边梯形的面积A）
曲边梯形由连续曲线yf(x )(f(x )0 )、
x轴与两条直线 xa、 x b 所围成 .
方法:分割、近似、求和、取极限.
1.概念定积分
abf(x)dxl i0m i n1f(i)xi
2.可积的充分条件
定理1 当函数 f ( x ) 在区间 [ a , b ] 上连续时，
则 f(x)在区间 [ a , b ] 上可积 . 定理2 设函数 f( x ) 在区间 [ a ,b ]上有界，且只有有限个间断点，
n
Alim 0i1
f(i)xi
实例2 （求变速直线运动的路程）
设某物体作直线运动，已知速度 vv(t)是时间间隔 [T1,T2]上 t 的一个连续函数，且 v(t)0，求
物体在这段时间内所经过的路程S.
n
slim 0i1v(i)ti
a 0
a2x2dx1a2
4
O
x
(2 ) 若 f(x )在 [ a ,a ]上连续，则
a
a
f(x)dx20a f(x)dx,
0，
当fx为偶函数时当fx为奇函数时
（3）若函数 f(x) 是周期为T 的连续函数，则
aT
T
a f(x)dx 0 f(x)d.x
则 a b f ( x ) d x a b g ( x ) dx ( a b )
（2） a bf(x)d xa bf(x)dx(ab积)分中值公式
性质7 (定积分中值定理)
如果函数 f(x )在闭区间 [a ,b ]上连续，
则在积分区间 [ a ,b ] 上至少存在一个点，使
则 m (b a ) a b f(x ) d x M (b a ).
性质6 (定积分比较定理)如果在区间 [ a ,b ] 上 f ( x ) 0 ，
则 a bf(x )d x 0 (ab )
推论：（1）如果在区间 [ a , b ] 上 f ( x ) g ( x ) ，
0
0
f(sx i)n d x22 f(sx i)n dx( f在[0,1]连续)
0
0

（7） In0 2sinn xd x 0 2co nxsdx
nnn11
n33 1 ,
n2 4 2 2 n34 2,
推论3 设 F(x)(x)g(x)f(t)d， t 则 a F (x ) g (x )f[(x )] (x ) g (x )(x )f(t) dt a
（2）（原函数存在定理）如果f(x) 在 [a,b] 上
连续，则积分上限的函数(x)ax f(t)dt就是
f(x)在[a,b]上的一个原函数.
（3）如果 F (x )是连续函数 f(x )在区间 [a ,b ]上的一
个原函数，则
bf(x )d x F (x )bF (b ) F (a )
a
a
注： f(x)在 [a,b]上连续的条件 ,结不论满可足能. 时不
见到 f(x)在[a,b]上"连续 ",就应联F想 (x)到 x f(t)dt a
b
af(x )d x f()b ( a ) (a b )
注：与定积分性质有关的命题有三个：估值问题，不等式的证明，求极限.
5、重要定理
（1）如果 f(x )在 [a ,b ]上连续，则积分上限的函数
(x ) a xf(t)d在 [ ta ,b ]上具有导数，且它的导数是
（4） x(fsx i)d n xf(sx i)d n,x( f在[0,1]连续)
0
20
由此可计算: 01xscions2xxdf(cx o)ds;x
( f在[0,1]连续)
0
0
（6） sinnxdx22sinnxdx 更一般地有，

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