三、计算题#
1. 解:使用拉格朗日乘数法。设 L=x2+y2+z2+λ(x+y+z−1)。
令 ∂x∂L=2x+λ=0,∂y∂L=2y+λ=0,∂z∂L=2z+λ=0,∂λ∂L=x+y+z−1=0。
由前三式得 x=y=z=−2λ,代入第四式得 3x=1,即 x=y=z=31。
最小值为 umin=3×91=31。
2. 解:积分区域 D 为 0≤x≤1,x≤y≤2x。
∬Dxydxdy=∫01dx∫x2xxydy=∫01x1⋅2y2x2xdx
=∫01x1⋅24x2−x2dx=∫0123xdx=43
3. 解:设 P=2x−y,Q=x+3y,则 ∂x∂Q=1,∂y∂P=−1。
由格林公式:
∮LPdx+Qdy=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy=∬D2dxdy=2×1=2
4. 解:曲面 Σ:z=x2+y2,z≤1,即 x2+y2≤1。
dS=1+zx2+zy2dxdy=1+x2+y2x2+x2+y2y2dxdy=2dxdy
∬ΣzdS=∬x2+y2≤1x2+y2⋅2dxdy=2∫02πdθ∫01r⋅rdr
=2⋅2π⋅31=322π
5. 解:收敛半径 R=limn→∞n+1n=1。
当 x=1 时,∑n 发散;当 x=−1 时,∑n(−1)n−1 发散。
收敛域为 (−1,1)。
设 S(x)=∑n=1∞nxn−1,则 ∫0xS(t)dt=∑n=1∞xn=1−xx,∣x∣<1。
故 S(x)=(1−xx)′=(1−x)21,x∈(−1,1)。
四、综合题#
1. 解:(1)利用柱坐标,Ω:0≤θ≤2π,0≤r≤2,r2≤z≤4。
V=∭Ωdxdydz=∫02πdθ∫02rdr∫r24dz=2π∫02r(4−r2)dr
=2π(2r2−4r4)02=2π(8−4)=8π
(2)∭Ωzdxdydz=∫02πdθ∫02rdr∫r24zdz=2π∫02r⋅216−r4dr
=π∫02(16r−r5)dr=π(8r2−6r6)02=π(32−332)=364π
2. 解:a0=π1∫0πxdx=2π
an=π1∫0πxcosnxdx=π1[nxsinnx+n2cosnx]0π=πn2(−1)n−1
bn=π1∫0πxsinnxdx=π1[−nxcosnx+n2sinnx]0π=n(−1)n+1
f(x)=4π+∑n=1∞[πn2(−1)n−1cosnx+n(−1)n+1sinnx]
令 x=0,得 0=4π−π2∑n=1∞(2n−1)21,故 ∑n=1∞(2n−1)21=8π2。