高等数学下_期末试题C卷_详解版

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高等数学下_期末试题C卷_详解版

高等数学(下)期末考试试题(C卷)#

考试时间: 120分钟
满分: 100分


一、选择题(每题3分,共15分)#

1. 曲面 z=x2+y2z=x^2+y^2 在点 (1,1,2)(1,1,2) 处的切平面方程为(  )

A. 2x+2y−z=22x+2y-z=2   B. 2x+2y+z=22x+2y+z=2   C. x+y−z=0x+y-z=0   D. 2x+y−z=12x+y-z=1

2. 平面 x+y+z=1x+y+z=1 与平面 x−z=2x-z=2 的位置关系是(  )

A. 相交但不垂直   B. 垂直   C. 平行   D. 重合

3. 交换积分次序:∫01dy∫y2yf(x,y) dx=\int_0^1 dy\int_{y^2}^{y} f(x,y)\,dx=(  )

A. ∫01dx∫xx2f(x,y) dy\int_0^1 dx\int_{x}^{x^2} f(x,y)\,dy   B. ∫01dx∫xxf(x,y) dy\int_0^1 dx\int_{\sqrt{x}}^{x} f(x,y)\,dy

C. ∫01dx∫xxf(x,y) dy\int_0^1 dx\int_{x}^{\sqrt{x}} f(x,y)\,dy   D. ∫01dx∫0xf(x,y) dy\int_0^1 dx\int_{0}^{x} f(x,y)\,dy

4. 下列级数中绝对收敛的是(  )

A. ∑n=1∞(−1)nn\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{\sqrt{n}}   B. ∑n=1∞(−1)nn\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n}   C. ∑n=1∞(−1)nn2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n^2}   D. ∑n=1∞(−1)nnn+1\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^n\frac{n}{n+1}

5. 设 LL 为圆周 x2+y2=1, z=0x^2+y^2=1,\ z=0(从 zz 轴正向看取逆时针方向),则 ∮L(y−z) dx+(z−x) dy+(x−y) dz=\oint_L (y-z)\,dx+(z-x)\,dy+(x-y)\,dz=(  )

A. −2π-2\pi   B. 2π2\pi   C. 00   D. −6π-6\pi


二、填空题(每题3分,共15分)#

1. 设 ∣a⃗∣=2|\vec{a}|=2,∣b⃗∣=3|\vec{b}|=3,且 a⃗⋅b⃗=3\vec{a}\cdot\vec{b}=3,则 ∣a⃗×b⃗∣=|\vec{a}\times\vec{b}|= ______________。

2. 曲线 x=t2x=t^2,y=ty=t,z=t3z=t^3 在点 (1,1,1)(1,1,1) 处的切线方程为 ______________。

3. 利用变量替换 u=x+yu=x+y,v=x−yv=x-y,可将积分 ∬D(x+y) dxdy\iint_D (x+y)\,dxdy(其中 DD 由 x+y=1x+y=1,x+y=2x+y=2,x−y=0x-y=0,x−y=1x-y=1 围成)化为 12∫12u du∫01dv=\frac{1}{2}\int_1^2 u\,du\int_0^1 dv= ______________。

4. 设 f(x)=ex2f(x)=e^{x^2},则 f(100)(0)=f^{(100)}(0)= ______________。

5. 向量场 A⃗=(y2,z2,x2)\vec{A}=(y^2,z^2,x^2) 的旋度 rot A⃗=\mathrm{rot}\,\vec{A}= ______________。


三、计算题(每题10分,共50分)#

1. 设 u=f(r)u=f(r),其中 r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2},ff 具有二阶连续导数,证明:∂2u∂x2+∂2u∂y2=f′′(r)+1rf′(r)\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}=f''(r)+\frac{1}{r}f'(r)。

2. 计算二重积分 ∬D∣x−y∣ dxdy\iint_D |x-y|\,dxdy,其中 DD 为矩形区域 0≤x≤10\leq x\leq 1,0≤y≤10\leq y\leq 1。

3. 计算曲线积分 ∮Lx2+y2 ds\oint_L \sqrt{x^2+y^2}\,ds,其中 LL 为圆周 x2+y2=axx^2+y^2=ax(a>0a>0)。

4. 计算曲面积分 ∬Σz dS\iint_\Sigma z\,dS,其中 Σ\Sigma 为上半球面 z=R2−x2−y2z=\sqrt{R^2-x^2-y^2}。

5. 将函数 f(x)=1−x2f(x)=1-x^2(0≤x≤π0\leq x\leq\pi)展开成余弦级数,并指出其和函数。


四、综合题(每题10分,共20分)#

1. 求均匀半球体 x2+y2+z2≤R2x^2+y^2+z^2\leq R^2(z≥0z\geq 0)的质心坐标(设密度 ρ=1\rho=1)。

2. 将函数 f(x)=∣x∣f(x)=|x|(−π≤x≤π-\pi\leq x\leq\pi)展开成傅里叶级数,并由此求级数 ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} 的和。


参考答案与详解#


一、选择题详解#

第1题#

解:(曲面 z=F(x,y)z=F(x,y) 在某点的切平面方程,关键是求该点处的法向量)

设 F(x,y,z)=x2+y2−zF(x,y,z)=x^2+y^2-z(将曲面方程写成隐式 F=0F=0 的标准形式)

则法向量 n⃗=∇F=(∂F∂x,∂F∂y,∂F∂z)=(2x,2y,−1)\vec{n}=\nabla F=\left(\frac{\partial F}{\partial x},\frac{\partial F}{\partial y},\frac{\partial F}{\partial z}\right)=(2x,2y,-1)(求梯度得到法向量,即各偏导数组成的向量)

在点 (1,1,2)(1,1,2) 处:n⃗=(2,2,−1)\vec{n}=(2,2,-1)(代入点的坐标,得到具体法向量)

切平面方程:2(x−1)+2(y−1)−1⋅(z−2)=02(x-1)+2(y-1)-1\cdot(z-2)=0(使用点法式方程:法向量点乘 (x−x0,y−y0,z−z0)(x-x_0,y-y_0,z-z_0) 等于零)

展开得 2x−2+2y−2−z+2=02x-2+2y-2-z+2=0,即 2x+2y−z=22x+2y-z=2(整理方程化为一般式)

选 A。


第2题#

解:(判断两平面的位置关系,只需比较它们的法向量)

平面 Π1\Pi_1:x+y+z=1x+y+z=1,法向量 n⃗1=(1,1,1)\vec{n}_1=(1,1,1)(从平面一般式直接读出第一个法向量)

平面 Π2\Pi_2:x−z=2x-z=2,法向量 n⃗2=(1,0,−1)\vec{n}_2=(1,0,-1)(从平面一般式直接读出第二个法向量)

计算点积:n⃗1⋅n⃗2=1×1+1×0+1×(−1)=1+0−1=0\vec{n}_1\cdot\vec{n}_2=1\times 1+1\times 0+1\times(-1)=1+0-1=0(两法向量点积为零,说明它们互相垂直)

由于法向量垂直,两平面垂直(两平面垂直的充要条件是它们的法向量垂直)

选 B。


第3题#

解:(先画出积分区域,再按 xx 型区域重新描述)

原积分区域由 0≤y≤10\leq y\leq 1 和 y2≤x≤yy^2\leq x\leq y 确定(分析原积分限:yy 从 0 到 1,对每个 yy,xx 从下边界 x=y2x=y^2 到上边界 x=yx=y)

画出区域:下边界为抛物线 x=y2x=y^2(即 y=xy=\sqrt{x}),上边界为直线 x=yx=y(即 y=xy=x)(确定区域形状,注意在 [0,1][0,1] 上 y2≤yy^2\leq y)

交换次序后,xx 的范围是 0≤x≤10\leq x\leq 1(先确定 xx 的整体范围,从 0 到 1)

对每个固定的 xx,yy 从下边界 y=xy=x 到上边界 y=xy=\sqrt{x}(在竖直方向上,下边界是直线 y=xy=x,上边界是抛物线 y=xy=\sqrt{x})

注意 x≤xx\leq\sqrt{x} 在 x∈[0,1]x\in[0,1] 成立(验证上下界关系,确保积分限正确)

故交换后为 ∫01dx∫xxf(x,y) dy\int_0^1 dx\int_x^{\sqrt{x}} f(x,y)\,dy

选 C。


第4题#

解:(逐项判断是绝对收敛、条件收敛还是发散)

选项 A:∑(−1)nn\sum\frac{(-1)^n}{\sqrt{n}} 是交错级数,由莱布尼茨判别法知收敛(1/n1/\sqrt{n} 单调递减趋于零)

但 ∑∣(−1)nn∣=∑1n\sum\left|\frac{(-1)^n}{\sqrt{n}}\right|=\sum\frac{1}{\sqrt{n}} 是 p=12<1p=\frac{1}{2}<1 的 pp 级数,发散(加绝对值后发散,故原级数条件收敛,非绝对收敛)

选项 B:∑(−1)nn\sum\frac{(-1)^n}{n} 是交错调和级数,收敛(由莱布尼茨判别法)

但 ∑1n\sum\frac{1}{n} 发散,故为条件收敛,非绝对收敛(加绝对值后发散)

选项 C:∑(−1)nn2\sum\frac{(-1)^n}{n^2},加绝对值后得 ∑1n2\sum\frac{1}{n^2}(这是 p=2>1p=2>1 的 pp 级数,收敛)

由于加绝对值后收敛,原级数绝对收敛(绝对收敛的定义:加绝对值后的级数收敛)

选项 D:通项 un=(−1)nnn+1u_n=(-1)^n\frac{n}{n+1},lim⁡n→∞∣un∣=1≠0\lim_{n\to\infty}|u_n|=1\neq 0(通项极限不为零,不满足级数收敛的必要条件)

故该级数发散(直接排除)

选 C。


第5题#

解:(空间闭曲线积分,可用斯托克斯公式转化为曲面积分;也可因 z=0z=0 而化简)

方法一:利用 z=0z=0 化简后直接计算

在曲线 LL 上,z=0z=0,dz=0dz=0(圆周位于 xyxy 平面上,zz 恒为零)

原积分化简为 ∮Ly dx−x dy\oint_L y\,dx-x\,dy(代入 z=0z=0,dz=0dz=0,消去含 zz 的项)

这是平面曲线积分,由格林公式:∮Ly dx−x dy=∬D(−1−1) dxdy=−2∬Ddxdy\oint_L y\,dx-x\,dy=\iint_D(-1-1)\,dxdy=-2\iint_D dxdy(应用格林公式,P=yP=y,Q=−xQ=-x,∂Q/∂x=−1\partial Q/\partial x=-1,∂P/∂y=1\partial P/\partial y=1)

其中 DD 为 x2+y2≤1x^2+y^2\leq 1,面积为 π\pi(确定区域为单位圆盘)

故积分 =−2π=-2\pi(−2-2 乘以单位圆面积 π\pi)

方法二:斯托克斯公式

设 F⃗=(y−z, z−x, x−y)\vec{F}=(y-z,\ z-x,\ x-y)(将积分写成向量形式 ∮LF⃗⋅dr⃗\oint_L \vec{F}\cdot d\vec{r})

旋度 rot F⃗=∇×F⃗=∣i⃗j⃗k⃗∂x∂y∂zy−zz−xx−y∣\mathrm{rot}\,\vec{F}=\nabla\times\vec{F}=\begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ \partial_x & \partial_y & \partial_z \\ y-z & z-x & x-y \end{vmatrix}(写出旋度的行列式形式)

=(−1−1, −1−1, −1−1)=(−2,−2,−2)=(-1-1,\ -1-1,\ -1-1)=(-2,-2,-2)(按行列式展开计算)

取 LL 所围圆盘 Σ\Sigma:x2+y2≤1x^2+y^2\leq 1,z=0z=0,上侧法向量 n⃗=(0,0,1)\vec{n}=(0,0,1)(选择合适的曲面,法向量朝上)

斯托克斯公式:∮LF⃗⋅dr⃗=∬Σ(rot F⃗)⋅n⃗ dS\oint_L \vec{F}\cdot d\vec{r}=\iint_\Sigma (\mathrm{rot}\,\vec{F})\cdot\vec{n}\,dS(应用斯托克斯公式)

=∬Σ(−2,−2,−2)⋅(0,0,1) dS=∬Σ(−2) dS=\iint_\Sigma (-2,-2,-2)\cdot(0,0,1)\,dS=\iint_\Sigma (-2)\,dS(计算点积,只有 zz 分量有贡献)

=−2×(圆盘面积)=−2π=-2\times(\text{圆盘面积})=-2\pi(−2-2 乘以圆盘面积)

选 A。


二、填空题详解#

第1题#

解:(利用拉格朗日恒等式 ∣a⃗×b⃗∣2+(a⃗⋅b⃗)2=∣a⃗∣2∣b⃗∣2|\vec{a}\times\vec{b}|^2+(\vec{a}\cdot\vec{b})^2=|\vec{a}|^2|\vec{b}|^2)

已知 ∣a⃗∣=2|\vec{a}|=2,∣b⃗∣=3|\vec{b}|=3,a⃗⋅b⃗=3\vec{a}\cdot\vec{b}=3(明确已知条件)

由拉格朗日恒等式:∣a⃗×b⃗∣2=∣a⃗∣2∣b⃗∣2−(a⃗⋅b⃗)2|\vec{a}\times\vec{b}|^2=|\vec{a}|^2|\vec{b}|^2-(\vec{a}\cdot\vec{b})^2(移项得到叉积模的平方公式)

=22×32−32=36−9=27=2^2\times 3^2-3^2=36-9=27(代入数值计算)

故 ∣a⃗×b⃗∣=27=33|\vec{a}\times\vec{b}|=\sqrt{27}=3\sqrt{3}(开平方得到最终结果,取正值)


第2题#

解:(空间曲线切线方程需要切点和切向量)

点 (1,1,1)(1,1,1) 对应参数 t=1t=1(由 x=t2=1x=t^2=1,y=t=1y=t=1,z=t3=1z=t^3=1 确定参数值)

切向量 r⃗′(t)=(2t, 1, 3t2)\vec{r}'(t)=(2t,\ 1,\ 3t^2)(对参数方程各分量求导)

在 t=1t=1 处:r⃗′(1)=(2,1,3)\vec{r}'(1)=(2,1,3)(代入参数值得到切向量)

切线方程:x−12=y−11=z−13\frac{x-1}{2}=\frac{y-1}{1}=\frac{z-1}{3}(使用点向式方程)


第3题#

解:(利用二重积分的变量替换公式)

令 u=x+yu=x+y,v=x−yv=x-y(确定新的变量)

反解得 x=u+v2x=\frac{u+v}{2},y=u−v2y=\frac{u-v}{2}(解出 x,yx,y 关于 u,vu,v 的表达式)

雅可比行列式 J=∂(x,y)∂(u,v)=∣121212−12∣=−14−14=−12J=\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix} \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \end{vmatrix}=-\frac{1}{4}-\frac{1}{4}=-\frac{1}{2}(计算雅可比行列式)

面积元素 dxdy=∣J∣ dudv=12 dudvdxdy=|J|\,dudv=\frac{1}{2}\,dudv(面积元素变换公式,取绝对值)

积分区域变为 D′D':1≤u≤21\leq u\leq 2,0≤v≤10\leq v\leq 1(根据边界条件确定新的积分限)

∬D(x+y) dxdy=∬D′u⋅12 dudv\iint_D (x+y)\,dxdy=\iint_{D'} u\cdot\frac{1}{2}\,dudv(代入 x+y=ux+y=u 和面积元素变换)

=12∫12u du∫01dv=\frac{1}{2}\int_1^2 u\,du\int_0^1 dv(分离变量,化为累次积分)

=12⋅[u22]12⋅1=12⋅4−12=34=\frac{1}{2}\cdot\left[\frac{u^2}{2}\right]_1^2\cdot 1=\frac{1}{2}\cdot\frac{4-1}{2}=\frac{3}{4}(分别计算定积分并相乘)


第4题#

解:(利用麦克劳林展开式求高阶导数)

ex2=∑n=0∞(x2)nn!=∑n=0∞x2nn!e^{x^2}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(x^2)^n}{n!}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^{2n}}{n!}(将 ete^t 的展开式中 tt 替换为 x2x^2)

麦克劳林展开的一般形式为 f(x)=∑m=0∞f(m)(0)m!xmf(x)=\sum_{m=0}^{\infty}\frac{f^{(m)}(0)}{m!}x^m(写出一般系数公式)

要找 x100x^{100} 的系数,令 2n=1002n=100,得 n=50n=50(确定 x100x^{100} 对应展开式中的项)

x100x^{100} 的系数为 150!\frac{1}{50!}(从展开式中读出 n=50n=50 时的系数)

由麦克劳林公式,x100x^{100} 的系数也等于 f(100)(0)100!\frac{f^{(100)}(0)}{100!}(联系一般系数公式)

故 f(100)(0)100!=150!\frac{f^{(100)}(0)}{100!}=\frac{1}{50!}(建立等式)

f(100)(0)=100!50!f^{(100)}(0)=\frac{100!}{50!}(解出高阶导数在零点的值)


第5题#

解:(旋度公式 rot A⃗=∇×A⃗\mathrm{rot}\,\vec{A}=\nabla\times\vec{A})

设 A⃗=(P,Q,R)=(y2, z2, x2)\vec{A}=(P,Q,R)=(y^2,\ z^2,\ x^2)(明确三个分量)

rot A⃗=(∂R∂y−∂Q∂z, ∂P∂z−∂R∂x, ∂Q∂x−∂P∂y)\mathrm{rot}\,\vec{A}=\left(\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z},\ \frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x},\ \frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right)(写出旋度的三个分量公式)

=(0−2z, 0−2x, 0−2y)=(0-2z,\ 0-2x,\ 0-2y)(分别计算各偏导数:∂R/∂y=∂(x2)/∂y=0\partial R/\partial y=\partial(x^2)/\partial y=0,∂Q/∂z=2z\partial Q/\partial z=2z,等等)

=(−2z, −2x, −2y)=(-2z,\ -2x,\ -2y)(整理结果)


三、计算题详解#

第1题#

设 u=f(r)u=f(r),其中 r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2},ff 具有二阶连续导数,证明:∂2u∂x2+∂2u∂y2=f′′(r)+1rf′(r)\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}=f''(r)+\frac{1}{r}f'(r)。

证明:(利用链式法则逐步求偏导)

第一步:求一阶偏导数

∂u∂x=f′(r)⋅∂r∂x\frac{\partial u}{\partial x}=f'(r)\cdot\frac{\partial r}{\partial x}(链式法则:uu 对 xx 的偏导等于 ff 对 rr 的导数乘以 rr 对 xx 的偏导)

∂r∂x=xx2+y2=xr\frac{\partial r}{\partial x}=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}=\frac{x}{r}(r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2} 对 xx 求偏导)

故 ∂u∂x=f′(r)⋅xr\frac{\partial u}{\partial x}=f'(r)\cdot\frac{x}{r}(代入得到一阶偏导表达式)

第二步:求二阶偏导数 ∂2u∂x2\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}

∂2u∂x2=∂∂x(f′(r)⋅xr)\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}=\frac{\partial}{\partial x}\left(f'(r)\cdot\frac{x}{r}\right)(对一阶偏导继续求导)

=f′′(r)⋅∂r∂x⋅xr+f′(r)⋅∂∂x(xr)=f''(r)\cdot\frac{\partial r}{\partial x}\cdot\frac{x}{r}+f'(r)\cdot\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{x}{r}\right)(乘积法则:两项分别求导)

=f′′(r)⋅xr⋅xr+f′(r)⋅r−x⋅∂r∂xr2=f''(r)\cdot\frac{x}{r}\cdot\frac{x}{r}+f'(r)\cdot\frac{r-x\cdot\frac{\partial r}{\partial x}}{r^2}(第一项用链式法则,第二项用商的求导法则)

=f′′(r)⋅x2r2+f′(r)⋅r−x⋅xrr2=f''(r)\cdot\frac{x^2}{r^2}+f'(r)\cdot\frac{r-x\cdot\frac{x}{r}}{r^2}(代入 ∂r/∂x=x/r\partial r/\partial x=x/r)

=f′′(r)⋅x2r2+f′(r)⋅r2−x2r3=f''(r)\cdot\frac{x^2}{r^2}+f'(r)\cdot\frac{r^2-x^2}{r^3}(分子通分:r=r2rr=\frac{r^2}{r})

注意 r2=x2+y2r^2=x^2+y^2,故 r2−x2=y2r^2-x^2=y^2(利用 rr 的定义化简分子)

∂2u∂x2=f′′(r)⋅x2r2+f′(r)⋅y2r3\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}=f''(r)\cdot\frac{x^2}{r^2}+f'(r)\cdot\frac{y^2}{r^3}(化简后的 xx 方向二阶偏导)

第三步:由对称性写出 ∂2u∂y2\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}

由于 xx 与 yy 在表达式中对称(r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2} 关于 x,yx,y 对称),只需将上式中 xx 与 yy 互换(利用问题的对称性,避免重复计算)

∂2u∂y2=f′′(r)⋅y2r2+f′(r)⋅x2r3\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}=f''(r)\cdot\frac{y^2}{r^2}+f'(r)\cdot\frac{x^2}{r^3}(直接写出 yy 方向的对应结果)

第四步:相加化简

∂2u∂x2+∂2u∂y2=f′′(r)⋅x2+y2r2+f′(r)⋅x2+y2r3\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 u}{\partial y^2}=f''(r)\cdot\frac{x^2+y^2}{r^2}+f'(r)\cdot\frac{x^2+y^2}{r^3}(两式相加,分别合并 f′′(r)f''(r) 和 f′(r)f'(r) 的系数)

=f′′(r)⋅r2r2+f′(r)⋅r2r3=f''(r)\cdot\frac{r^2}{r^2}+f'(r)\cdot\frac{r^2}{r^3}(代入 x2+y2=r2x^2+y^2=r^2)

=f′′(r)+1rf′(r)=f''(r)+\frac{1}{r}f'(r)(约分,得到待证等式)

证毕。


第2题#

计算二重积分 ∬D∣x−y∣ dxdy\iint_D |x-y|\,dxdy,其中 DD 为矩形区域 0≤x≤10\leq x\leq 1,0≤y≤10\leq y\leq 1。

解:(被积函数含绝对值,需按绝对值内表达式的正负划分区域)

直线 y=xy=x 将区域 DD 分成两部分:(确定分界曲线 y=xy=x,在该线两侧 x−yx-y 变号)

  • D1D_1:0≤x≤10\leq x\leq 1,0≤y≤x0\leq y\leq x(即 y≤xy\leq x,∣x−y∣=x−y|x-y|=x-y)(下三角区域,x−y≥0x-y\geq 0)

  • D2D_2:0≤x≤10\leq x\leq 1,x≤y≤1x\leq y\leq 1(即 y≥xy\geq x,∣x−y∣=y−x|x-y|=y-x)(上三角区域,x−y≤0x-y\leq 0)

积分 =∬D1(x−y) dxdy+∬D2(y−x) dxdy=\iint_{D_1}(x-y)\,dxdy+\iint_{D_2}(y-x)\,dxdy(按区域拆分绝对值)

计算第一个积分:

∬D1(x−y) dxdy=∫01dx∫0x(x−y) dy\iint_{D_1}(x-y)\,dxdy=\int_0^1 dx\int_0^x (x-y)\,dy(将 D1D_1 化为累次积分)

=∫01[xy−y22]0xdx=\int_0^1\left[xy-\frac{y^2}{2}\right]_0^x dx(对 yy 积分,xx 视为常数)

=∫01(x2−x22)dx=∫01x22 dx=\int_0^1\left(x^2-\frac{x^2}{2}\right)dx=\int_0^1\frac{x^2}{2}\,dx(代入上下限并化简)

=12⋅13=16=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{3}=\frac{1}{6}(计算定积分)

计算第二个积分:

∬D2(y−x) dxdy=∫01dx∫x1(y−x) dy\iint_{D_2}(y-x)\,dxdy=\int_0^1 dx\int_x^1 (y-x)\,dy(将 D2D_2 化为累次积分)

=∫01[y22−xy]x1dx=\int_0^1\left[\frac{y^2}{2}-xy\right]_x^1 dx(对 yy 积分)

=∫01[(12−x)−(x22−x2)]dx=\int_0^1\left[\left(\frac{1}{2}-x\right)-\left(\frac{x^2}{2}-x^2\right)\right]dx(代入上下限 y=1y=1 和 y=xy=x)

=∫01(12−x+x22)dx=\int_0^1\left(\frac{1}{2}-x+\frac{x^2}{2}\right)dx(化简括号内表达式)

=[x2−x22+x36]01=12−12+16=16=\left[\frac{x}{2}-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{6}\right]_0^1=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}+\frac{1}{6}=\frac{1}{6}(计算定积分)

总和: 16+16=13\frac{1}{6}+\frac{1}{6}=\frac{1}{3}(两区域积分结果相加)


第3题#

计算曲线积分 ∮Lx2+y2 ds\oint_L \sqrt{x^2+y^2}\,ds,其中 LL 为圆周 x2+y2=axx^2+y^2=ax(a>0a>0)。

解:(圆周方程适合用极坐标参数化,注意极坐标下的弧长元素公式)

将圆周方程化为极坐标:r2=arcos⁡θr^2=ar\cos\theta,即 r=acos⁡θr=a\cos\theta(代入 x=rcos⁡θx=r\cos\theta,y=rsin⁡θy=r\sin\theta,约去 rr)

θ\theta 的范围为 −π2≤θ≤π2-\frac{\pi}{2}\leq\theta\leq\frac{\pi}{2}(由 r≥0r\geq 0 得 cos⁡θ≥0\cos\theta\geq 0,故 θ\theta 在此区间)

极坐标下弧长元素:ds=r2+(r′)2 dθds=\sqrt{r^2+(r')^2}\,d\theta(极坐标弧长公式)

r′=drdθ=−asin⁡θr'=\frac{dr}{d\theta}=-a\sin\theta(对 r=acos⁡θr=a\cos\theta 求导)

r2+(r′)2=a2cos⁡2θ+a2sin⁡2θ=a2r^2+(r')^2=a^2\cos^2\theta+a^2\sin^2\theta=a^2(利用三角恒等式化简)

故 ds=a2 dθ=a dθds=\sqrt{a^2}\,d\theta=a\,d\theta(弧长元素简化为常数 aa 乘以 dθd\theta)

被积函数 x2+y2=r=acos⁡θ\sqrt{x^2+y^2}=r=a\cos\theta(极坐标下 x2+y2=r2x^2+y^2=r^2,故平方根为 rr)

∮Lx2+y2 ds=∫−π/2π/2(acos⁡θ)⋅a dθ\oint_L \sqrt{x^2+y^2}\,ds=\int_{-\pi/2}^{\pi/2} (a\cos\theta)\cdot a\,d\theta(代入参数化后的表达式)

=a2∫−π/2π/2cos⁡θ dθ=a^2\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos\theta\,d\theta(提出常数 a2a^2)

=a2[sin⁡θ]−π/2π/2=a2(1−(−1))=a^2\left[\sin\theta\right]_{-\pi/2}^{\pi/2}=a^2(1-(-1))(计算正弦函数的定积分)

=2a2=2a^2(得到最终结果)


第4题#

计算曲面积分 ∬Σz dS\iint_\Sigma z\,dS,其中 Σ\Sigma 为上半球面 z=R2−x2−y2z=\sqrt{R^2-x^2-y^2}。

解:(第一类曲面积分,利用球面的特殊几何关系可大幅简化计算)

曲面方程 z=R2−x2−y2z=\sqrt{R^2-x^2-y^2},投影区域 DD:x2+y2≤R2x^2+y^2\leq R^2(确定曲面在 xyxy 平面的投影为半径 RR 的圆盘)

计算偏导数:zx=−xR2−x2−y2=−xzz_x=\frac{-x}{\sqrt{R^2-x^2-y^2}}=-\frac{x}{z}(对 xx 求偏导,用链式法则)

zy=−yR2−x2−y2=−yzz_y=\frac{-y}{\sqrt{R^2-x^2-y^2}}=-\frac{y}{z}(对 yy 求偏导)

面积元素 dS=1+zx2+zy2 dxdydS=\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\,dxdy(第一类曲面积分的面积元素公式)

=1+x2z2+y2z2 dxdy=z2+x2+y2z2 dxdy=\sqrt{1+\frac{x^2}{z^2}+\frac{y^2}{z^2}}\,dxdy=\sqrt{\frac{z^2+x^2+y^2}{z^2}}\,dxdy(代入偏导数并通分)

=R2z2 dxdy=Rz dxdy=\sqrt{\frac{R^2}{z^2}}\,dxdy=\frac{R}{z}\,dxdy(利用 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2 化简分子,注意 z>0z>0)

关键观察:z dS=z⋅Rz dxdy=R dxdyz\,dS=z\cdot\frac{R}{z}\,dxdy=R\,dxdy(被积函数的 zz 与面积元素分母的 zz 恰好约去)

∬Σz dS=∬DR dxdy\iint_\Sigma z\,dS=\iint_D R\,dxdy(化简后的被积函数为常数 RR)

=R×(圆盘 D 的面积)=R⋅πR2=R\times(\text{圆盘 }D\text{ 的面积})=R\cdot\pi R^2(常数 RR 乘以区域面积)

=πR3=\pi R^3(得到最终结果)


第5题#

将函数 f(x)=1−x2f(x)=1-x^2(0≤x≤π0\leq x\leq\pi)展开成余弦级数,并指出其和函数。

解:(半幅余弦展开,需作偶延拓,只计算 ana_n 系数)

将 f(x)f(x) 在 (−π,π)(-\pi,\pi) 上作 偶延拓(余弦级数对应偶延拓,所有 bn=0b_n=0)

计算 a0a_0:

a0=2π∫0π(1−x2) dxa_0=\frac{2}{\pi}\int_0^\pi (1-x^2)\,dx(半幅余弦展开中 a0a_0 的系数公式)

=2π[x−x33]0π=2π(π−π33)=2−2π23=\frac{2}{\pi}\left[x-\frac{x^3}{3}\right]_0^\pi=\frac{2}{\pi}\left(\pi-\frac{\pi^3}{3}\right)=2-\frac{2\pi^2}{3}(计算定积分)

计算 ana_n(n≥1n\geq 1):

an=2π∫0π(1−x2)cos⁡nx dxa_n=\frac{2}{\pi}\int_0^\pi (1-x^2)\cos nx\,dx(余弦系数公式)

=2π[∫0πcos⁡nx dx−∫0πx2cos⁡nx dx]=\frac{2}{\pi}\left[\int_0^\pi \cos nx\,dx-\int_0^\pi x^2\cos nx\,dx\right](拆分为两项)

第一项:∫0πcos⁡nx dx=sin⁡nxn∣0π=0\int_0^\pi \cos nx\,dx=\left.\frac{\sin nx}{n}\right|_0^\pi=0(sin⁡nπ=0\sin n\pi=0)

第二项用分部积分两次:设 u=x2u=x^2,dv=cos⁡nx dxdv=\cos nx\,dx,则 du=2x dxdu=2x\,dx,v=sin⁡nxnv=\frac{\sin nx}{n}(第一次分部积分)

∫x2cos⁡nx dx=x2sin⁡nxn−2n∫xsin⁡nx dx\int x^2\cos nx\,dx=\frac{x^2\sin nx}{n}-\frac{2}{n}\int x\sin nx\,dx(应用分部积分公式)

对 ∫xsin⁡nx dx\int x\sin nx\,dx 再分部积分:u=xu=x,dv=sin⁡nx dxdv=\sin nx\,dx,du=dxdu=dx,v=−cos⁡nxnv=-\frac{\cos nx}{n}(第二次分部积分)

=−xcos⁡nxn+1n∫cos⁡nx dx=−xcos⁡nxn+sin⁡nxn2=-\frac{x\cos nx}{n}+\frac{1}{n}\int\cos nx\,dx=-\frac{x\cos nx}{n}+\frac{\sin nx}{n^2}(计算第二次分部积分)

综合得:∫0πx2cos⁡nx dx=x2sin⁡nxn∣0π−2n[−xcos⁡nxn+sin⁡nxn2]0π\int_0^\pi x^2\cos nx\,dx=\left.\frac{x^2\sin nx}{n}\right|_0^\pi-\frac{2}{n}\left[-\frac{x\cos nx}{n}+\frac{\sin nx}{n^2}\right]_0^\pi(代入上下限)

=0−2n[−πcos⁡nπn+0−(0+0)]=0-\frac{2}{n}\left[-\frac{\pi\cos n\pi}{n}+0-(0+0)\right](sin⁡nπ=0\sin n\pi=0,sin⁡0=0\sin 0=0;cos⁡nπ=(−1)n \cos n\pi=(-1)^n)

=2π(−1)nn2=\frac{2\pi(-1)^n}{n^2}(化简)

故 an=2π(0−2π(−1)nn2)=4(−1)n+1n2a_n=\frac{2}{\pi}\left(0-\frac{2\pi(-1)^n}{n^2}\right)=\frac{4(-1)^{n+1}}{n^2}(代入 ana_n 的表达式)

余弦级数:

1−x2=a02+∑n=1∞ancos⁡nx=1−π23+4∑n=1∞(−1)n+1n2cos⁡nx1-x^2=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}a_n\cos nx=1-\frac{\pi^2}{3}+4\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}}{n^2}\cos nx(写出展开式,注意 a0/2=1−π2/3a_0/2=1-\pi^2/3)

和函数:在 [0,π][0,\pi] 上收敛于 1−x21-x^2(狄利克雷收敛定理,连续点收敛于函数值)


四、综合题详解#

第1题#

求均匀半球体 x2+y2+z2≤R2x^2+y^2+z^2\leq R^2(z≥0z\geq 0)的质心坐标(设密度 ρ=1\rho=1)。

解:(利用对称性简化,只需计算竖坐标 zˉ\bar{z})

由对称性,质心必在 zz 轴上,故 xˉ=0\bar{x}=0,yˉ=0\bar{y}=0(半球体关于 zz 轴旋转对称,水平方向质心坐标为零)

只需计算 zˉ=∭Ωz dV∭ΩdV\bar{z}=\frac{\iiint_\Omega z\,dV}{\iiint_\Omega dV}(质心竖坐标公式,等于关于 xyxy 平面的静矩除以体积)

计算体积 VV:

V=23πR3V=\frac{2}{3}\pi R^3(半球体积公式)

计算静矩 ∭Ωz dV\iiint_\Omega z\,dV:

采用球坐标:x=rsin⁡φcos⁡θx=r\sin\varphi\cos\theta,y=rsin⁡φsin⁡θy=r\sin\varphi\sin\theta,z=rcos⁡φz=r\cos\varphi(写出球坐标变换)

Ω\Omega:0≤r≤R0\leq r\leq R,0≤θ≤2π0\leq\theta\leq 2\pi,0≤φ≤π20\leq\varphi\leq\frac{\pi}{2}(上半球对应 z≥0z\geq 0,即 0≤φ≤π/20\leq\varphi\leq\pi/2)

dV=r2sin⁡φ drdφdθdV=r^2\sin\varphi\,drd\varphi d\theta(球坐标体积元素)

∭Ωz dV=∫02πdθ∫0π/2sin⁡φ dφ∫0R(rcos⁡φ)⋅r2 dr\iiint_\Omega z\,dV=\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^{\pi/2}\sin\varphi\,d\varphi\int_0^R (r\cos\varphi)\cdot r^2\,dr(代入 z=rcos⁡φz=r\cos\varphi 和体积元素)

=∫02πdθ∫0π/2sin⁡φcos⁡φ dφ∫0Rr3 dr=\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^{\pi/2}\sin\varphi\cos\varphi\,d\varphi\int_0^R r^3\,dr(分离三个变量的积分)

分别计算:∫02πdθ=2π\int_0^{2\pi}d\theta=2\pi(θ\theta 积分)

∫0π/2sin⁡φcos⁡φ dφ=12sin⁡2φ∣0π/2=12\int_0^{\pi/2}\sin\varphi\cos\varphi\,d\varphi=\frac{1}{2}\sin^2\varphi\big|_0^{\pi/2}=\frac{1}{2}(凑微分 d(sin⁡φ)d(\sin\varphi))

∫0Rr3 dr=R44\int_0^R r^3\,dr=\frac{R^4}{4}(幂函数积分)

相乘:2π×12×R44=πR442\pi\times\frac{1}{2}\times\frac{R^4}{4}=\frac{\pi R^4}{4}(静矩结果)

计算质心:

zˉ=πR4/42πR3/3=πR44⋅32πR3=3R8\bar{z}=\frac{\pi R^4/4}{2\pi R^3/3}=\frac{\pi R^4}{4}\cdot\frac{3}{2\pi R^3}=\frac{3R}{8}(化简分数)

质心坐标为 (0, 0, 3R8)\left(0,\ 0,\ \frac{3R}{8}\right)。


第2题#

将函数 f(x)=∣x∣f(x)=|x|(−π≤x≤π-\pi\leq x\leq\pi)展开成傅里叶级数,并由此求级数 ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} 的和。

解:(∣x∣|x| 是偶函数,展开式中只有余弦项,bn=0b_n=0)

f(x)=∣x∣f(x)=|x| 在 [−π,π][-\pi,\pi] 上为偶函数,故 bn=0b_n=0(n=1,2,…n=1,2,\ldots)(偶函数的傅里叶级数不含正弦项)

计算 a0a_0:

a0=2π∫0πx dxa_0=\frac{2}{\pi}\int_0^\pi x\,dx(偶函数 a0a_0 公式,只需在 [0,π][0,\pi] 上积分再乘 2/π2/\pi)

=2π⋅π22=π=\frac{2}{\pi}\cdot\frac{\pi^2}{2}=\pi(计算定积分)

计算 ana_n:

an=2π∫0πxcos⁡nx dxa_n=\frac{2}{\pi}\int_0^\pi x\cos nx\,dx(偶函数 ana_n 公式)

分部积分:u=xu=x,dv=cos⁡nx dxdv=\cos nx\,dx,du=dxdu=dx,v=sin⁡nxnv=\frac{\sin nx}{n}(选择分部积分的 uu 和 dvdv)

=2π[xsin⁡nxn∣0π−∫0πsin⁡nxn dx]=\frac{2}{\pi}\left[\frac{x\sin nx}{n}\Big|_0^\pi-\int_0^\pi\frac{\sin nx}{n}\,dx\right](应用分部积分公式)

=2π[0+cos⁡nxn2∣0π]=\frac{2}{\pi}\left[0+\frac{\cos nx}{n^2}\Big|_0^\pi\right](sin⁡nπ=0\sin n\pi=0,∫sin⁡nx dx=−cos⁡nxn\int\sin nx\,dx=-\frac{\cos nx}{n})

=2πn2(cos⁡nπ−cos⁡0)=2πn2[(−1)n−1]=\frac{2}{\pi n^2}(\cos n\pi-\cos 0)=\frac{2}{\pi n^2}[(-1)^n-1](代入上下限)

当 nn 为偶数时,(−1)n−1=0(-1)^n-1=0,an=0a_n=0(分析偶数项系数为零)

当 nn 为奇数,设 n=2k−1n=2k-1 时,(−1)n−1=−2(-1)^n-1=-2,an=−4π(2k−1)2a_n=-\frac{4}{\pi(2k-1)^2}(分析奇数项系数)

傅里叶级数:

∣x∣=π2−4π∑k=1∞cos⁡(2k−1)x(2k−1)2|x|=\frac{\pi}{2}-\frac{4}{\pi}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\cos(2k-1)x}{(2k-1)^2}(写出仅含奇次余弦项的展开式)

在 [−π,π][-\pi,\pi] 上收敛于 ∣x∣|x|(由狄利克雷定理,∣x∣|x| 连续且端点处延拓后连续)

求 ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}:

第一步:先求 ∑k=1∞1(2k−1)2\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k-1)^2}

令 x=0x=0:∣0∣=0=π2−4π∑k=1∞1(2k−1)2|0|=0=\frac{\pi}{2}-\frac{4}{\pi}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k-1)^2}(代入 x=0x=0,cos⁡0=1\cos 0=1)

移项得:4π∑k=1∞1(2k−1)2=π2\frac{4}{\pi}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k-1)^2}=\frac{\pi}{2}(将级数项移到等式一侧)

故 ∑k=1∞1(2k−1)2=π28\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k-1)^2}=\frac{\pi^2}{8}(解出奇数项倒数平方和)

第二步:利用奇偶分解求全体倒数平方和

设 S=∑n=1∞1n2S=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}(定义目标级数和为 SS)

将级数拆分为奇数项和偶数项:S=∑k=1∞1(2k−1)2+∑k=1∞1(2k)2S=\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k-1)^2}+\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k)^2}(按奇偶分类)

=π28+∑k=1∞14k2=\frac{\pi^2}{8}+\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{4k^2}(代入奇数项和的结果)

=π28+14∑k=1∞1k2=\frac{\pi^2}{8}+\frac{1}{4}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^2}(提取偶数项中的 1/41/4)

=π28+14S=\frac{\pi^2}{8}+\frac{1}{4}S(注意到后面的和就是 SS 本身,建立方程)

第三步:解方程

S−14S=π28S-\frac{1}{4}S=\frac{\pi^2}{8}(移项合并同类项)

34S=π28\frac{3}{4}S=\frac{\pi^2}{8}(化简左边)

S=π28⋅43=π26S=\frac{\pi^2}{8}\cdot\frac{4}{3}=\frac{\pi^2}{6}(解出 SS)

即 ∑n=1∞1n2=π26\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}=\frac{\pi^2}{6}(这就是著名的巴塞尔问题答案)


本试卷完

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高等数学下_期末试题C卷_详解版
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2026-07-06
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