首届全国大学生数学竞赛决赛试卷及参考答案

其中
xj
=
j m
( j = 1, 2,..., m) 。这样，对于每一个 j ，
x j+1 − x j
= 1 <δ 。 m
又由于
lim
n→∞
f
(x
+
n)
=
0
，故对于每一个
xj
，存在一个
N
j
使得
f
(xj
+ n)
<
ε 2
, 只要n
>
Nj
，
这里的 ε 是前面给定的。令 N = max{N1,..., Nm}，那么
即，它们的混合积不为零：
111 (n, n ',OP) = 1 a 1 = (a −1)b ≠ 0 ，
00b 所以， L 与 L ' 是异面直线当且仅当 a ≠ 1且 b ≠ 0 。
（2）假设 P(x, y, z) 是 π 上任一点，于是 P 必定是 L ' 上一点 P '(x ', y ', z ') 绕 L 旋转所生
>
N
。
令 n → ∞ ，对上式取极限即得
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∑ ∑ lim sup
n→∞
n k =1
f
⎛k ⎜⎝ n2
⎞ ⎟⎠
≤
1 2
f
' (0) + ε 2
和 lim inf n→∞
n k =1
f
⎛ ⎜⎝
k n2
⎞ ⎟⎠
≥
1 2
f
' (0) −
ε 2
∑ ∑ 由ε
的任意性，即得 lim sup n→∞
⑤
当 a ≠ −2 ，即 L 与 L ' 不垂直时，解得 t = 1 (x + y + z − b) ，据此，再将④代入③， a+2
得到π 的方程：
x2
+
y2
+
z2
−
a2 + 2 (a + 2)2
(x
+
y
+
z
−
b)2
−
2b a+2
(x
+
y
+
z
−
b)
−
b2
=
0
，
当 a = −2 时，由⑤得， x + y + z = b ，这表明， π 在这个平面上。
α (0) = 0,且 α (x) → 0,当x → 0 。
因此，对于任意给定的 ε > 0 ，存在δ > 0 ，使得 α (x) < ε ,只要 x < δ 。
对于任意自然数 n 和 k
≤
n ，我们总有
f
⎛k ⎜⎝ n2
⎞ ⎟⎠
=
f
' (0)
k n2
+
α
⎛ ⎜⎝
k n2
⎞k ⎟⎠ n2
。
取 N > δ −1 ，对于上述给定的 ε > 0 ，便有
PT AP = E 。
因为 PT BP 是实对称矩阵，所以存在正交矩阵 Q 使得 QT (PT BP)Q = Λ 是对角矩阵。
首届全国大学生数学竞赛决赛试卷参考答案 （数学类，2010）
一、 填空题
∫ （1）
设 β > α > 0 ，则
+∞ e−α x2 − e−β x2
0
x2
dx =
π( β − α).
（2）若关于 x 的方程 kx +
1 x2
= 1(k
>
0) 在区间 (0, +∞) 中有惟一实数解，则常数 k
=
23
.
9
这样， F (x, y) 在 D 内必然有最小值。设最小值在 (x0 , y0 ) ∈ D 达到。
根据反证法假设，我们有
F (x0 , y0 ) = f (x0 , y0 ) − g(x0 , y0 ) < 0 .
(i)
另一方面，根据题目假设，我们又有
ΔF = Δf − Δg ≤ e f (x,y) − eg(x, y) ， (ii)
α
⎛ ⎜⎝
k n2
⎞ ⎟⎠
< ε ,只要n
>
N,k
≤
n
。
∑ ∑ ∑ 于是，
n k =1
f
⎛k ⎜⎝ n2
⎞ ⎟⎠
−
f
n
' (0)
k =1
k n2
≤
ε
n k =1
k n2
, 只要n
>
N
。
∑ 此式又可写成
n k =1
f
⎛k ⎜⎝ n2
⎞ ⎟⎠
−
1 2
f
' (0)(1+
1) n
≤
ε (1+ 2
1 ),只要n n
③
将①，②，③联立，消去其中的 x ', y ', z ' ：
令 x ' = y ' = z '− b = t ，将 x ', y ', z ' 用 t 表示： 1a 1
x ' = t, y ' = at, z ' = t + b ，
④
将④代入①，得
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(a + 2)t = x + y + z − b ，
成的。由于 P ' P 与 L 垂直，所以，
(x − x ') + ( y − y ') + (z − z ') = 0
①
又由于 P ' 在 L ' 上，所以，
x ' = y ' = z '− b ，
②
1a 1
因为 L 经过坐标原点，所以， P, P ' 到原点的距离相等，故，
x2 + y2 + z2 = x '2 + y '2 + z '2 ，
是去掉一个圆盘后的平面）。
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七、设 A, B 均为 n 阶半正定实对称矩阵，且满足 n −1 ≤ rank A ≤ n . 证明存在实可逆矩阵
C 使得 CT AC, CT BC 均为对角阵. 证明 （1） A 的秩为 n 的情形：此时， A 为正定阵。于是存在可逆矩阵 P 使得
∫ （3）设函数 f (x) 在区间[a,b] 上连续.由积分中值公式有 x f (t)dt = (x − a) f (ξ ) (a ≤ ξ ≤ x < b) . a
若导数
f
′
+
(a)
存在且非零，
则 lim ξ − a x→a+ x − a
的值等于
1
.
2
（4）设 (a × b)ic = 6 ，则[(a + b) × (b + c)]i(a + c) =___12________.
=
1
−
1 u2
+
v2
，
变换的雅可比行列式 ， J = ∂(x, y) = 2 。 ∂(u, v)
假定正方形 R 在给定变换下的像为 R ，那么根据 R 的图象以及被积函数的特征，我
们有
利用 又得
∫∫ ∫ ∫ ∫ ∫ I = 2
R
1
−
1 u2
+
v
2
dudv
=
4
1 2 0
⎛ ⎜⎝
u 0
1−
dv u2 +
n k =1
f
⎛ ⎜⎝
k n2
⎞ ⎟⎠
=
lim inf
n→∞
n k =1
f
⎛ ⎜⎝
k n2
⎞ ⎟⎠
=
1 2
f
' (0) 。证毕。
三、设 f (x) 在[0, ∞) 上一致连续，且对于固定的 x ∈[0, ∞) ，当自然数 n → ∞ 时 f (x + n) → 0 .证
明函数序列{ f (x + n) : n = 1, 2,...} 在[0,1] 上一致收敛于 0.
同时，将④代入③，有 x2 + y2 + z2 = 6t2 + 2bt + b2 = 6(t + 1 b)2 + 5 b2 。由于 t 可以是 66
任意的，所以，这时， π 的方程为：
⎧ x+ y+z=b
⎪
⎨ ⎪⎩
x
2
+
y2
+
z2
≥
5 6
b2
，
π 的类型： a = 1 且 b ≠ 0 时， L 与 L ' 平行，π 是一柱面； a ≠ 1且 b = 0 时， L 与 L ' 相 交，π 是一锥面（ a = −2 时π 是平面）；当 a ≠ 1且 b ≠ 0 时，π 是单叶双曲面（ a = −2 时，π
与 L ' 是异面直线？（2）当 L 与 L ' 不重合时，求 L ' 绕 L 旋转所生成的旋转面π 的方程，并指出曲面 π 的类型。
解：（1） L, L ' 的方向向量分别为 n = (1,1,1), n ' = (1, a,1) 。
分别取 L, L ' 上的点 O(0, 0, 0), P(0, 0,b) 。 L 与 L ' 是异面直线当且仅当矢量 n, n ',OP 不共面，